Перспективы применения алюминиевых бурильных труб при бурении горизонтал скважин большой протяженности
В.С. БАСОВИЧ,
к.т.н., генеральный директор
vbasovich@akvatik-dp.ru
И.Н.БУЯНОВСКИЙ,
к.т.н., ведущий инженер
ibuyanovskiy@akvatik-dp.ru
ООО «Акватик-Бурильные трубы»
И.В. ПЕТУНКИН,
генеральный директор
ООО «Бурильные трубы»
PetunkinIV@kumw.ru
Рассматриваются преимущества применения алюминиевых бурильных труб в составе комбинированных колонн при бурении горизонтальных скважин большой протяженности.
PROSPECTS ALUMINUM DRILL PIPE APPLICATION WHILE DRILLING HORIZONTAL WELLS GREAT LENGTH
V. BASOVICH, I. BUYANOVSKIY,
«Akvatik-Drill Pipes» LLC I. PETUNKIN, «Drill Pipes» LLC
The advantages of aluminum drill pipes instead of steel when drilling horizontal wells great length are discussed.
Keywords: aluminum alloy, «backling», drill pipe, horizontal wel
Объемы бурения скважин с протяженным горизонтальным участком с каждым годом увеличиваются как в отечественной, так и зарубежной практике бурения.
В 2015 г. ОАО «НК «Роснефть» в составе консорциума проекта «Сахалин-1» успешно завершили бурение самой протяженной в мире горизонтальной скважины (ГСБП) 0-14 [1], пробуренной в направлении крайней юго-восточной оконечности месторождения «Чайво» с буровой платформы «Орлан». Скважина имеет длину по стволу, равную 13 500 м, и горизонтальный участок ствола - 12 033 м.
Как показывает промысловый опыт проводки ГСБП, основными ограничениями при бурении таких скважин являются:
- сложности при доведении осевой нагрузки и вращающего момента до породо-разрушающего инструмента в процессе преодоления сил сопротивления перемещению и вращению бурильной колонны (БК) и при потере ее продольной устойчивости;
- проблемы очистки горизонтального ствола от выбуренной породы (шлама);
- прогрессирующий износ замков и тела бурильных труб (БТ);
- проблемы подвода гидравлической энергии к забойному двигателю и обеспечения необходимых параметров промывки скважины (расхода и давления).
Анализ отечественных и зарубежных технологий, а также технических средств, применяемых для проводки ГСБП, позволяет сделать вывод о том, что рациональная компоновка бурильной колонны (БК) и эксплуатационные характеристики бурильных труб являются определяющими факторами, влияющими на эффективность бурения таких скважин.
Применение комбинированных БК с включением легкосплавных бурильных труб (ЛБТ) позволяет при бурении ГСБП не только существенно снизить нагрузки на подъемную часть буровой установки, но и увеличить протяженность горизонтального ствола (ГС) таких скважин [2].
Основные требования к конструкции ЛБТ оговорены в международном стандарте ^0-15546:2007 «Бурильные трубы из алюминиевых сплавов для нефтяной и газовой промышленности», который введен в действие с 2007 г., и ГОСТ 23786-79 «Трубы бурильные из алюминиевых сплавов».
ЛБТ состоит из алюминиевой трубы и привинченных по ее концам элементов стального замка. Для соединения алюминиевой трубы с замком применена правая малоконусная трапециедальная резьба типа ТТ с коническим стабилизирующим пояском и упором по торцу. Гарантированные радиальные натяги по резьбе стабилизирующему пояску и упор в торец в этом соединении обеспечиваются за счет применения «температурного» способа сборки замков с трубами по специальной технологии. Конический стабилизирующий поясок в соединении частично разгружает резьбу от знакопеременных изгибающих напряжений и, тем самым, увеличивает усталостную прочность и надежность трубного соединения.
Благодаря такой конструкции достигается повышенная надежность всех сопряжений ЛБТ при знакопеременных нагрузках, что позволяет эффективно выполнять технологические операции с вращением инструмента и проводить аварийные работы по ликвидации прихвата силовыми методами.
Трубные заготовки ЛБТ изготавливаются методом горячего прессования из коррозионно-стойких высокопрочных алюминиевых сплавов Д16Т или 1953Т1. Они имеют утолщенную внутреннюю высадку законцовок, на которых нарезается трубная резьба ТТ. Со стороны муфты у трубы есть удлиненное внутреннее утолщение для возможности безопасной работы в клиновом захвате или спайдере.
В базовом исполнении ЛБТ (рис. 1) номинальный наружный диаметр трубных заготовок постоянен. Кроме того, могут быть поставлены алюминиевые бурильные трубы следующих модификаций:
- в протекторном исполнении ЛБТ-П (рис. 2), предназначенном для защиты от износа основного тела трубы, повыше-
Повышенная надежность ЛБТ при знакопеременных нагрузках позволяет эффективно выполнять технологические операции с вращением инструмента и проводить аварийные работы по ликвидации прихвата силовыми методами.
ния продольной устойчивости БК, а также ее лучшего центрирования в стволе скважины;
- со спиральным оребрением наружной поверхности ЛБТ-С (рис. 3) - для улучшения очистки ствола от выбуренной породы и повышения продольной устойчивости при бурении ГСБП. Основная часть наружной поверхности трубы выполнена с утолщением за счет наружного спирального оребрения правого направления.
Основные преимущества алюминиевых БТ достигаются благодаря приведенным в табл. 1 специфическим физико-механическим свойствам алюминиевых сплавов Д16Т или 1953Т1.
В процессе бурения ГСБП практически вся БК находится под действием сжимающих усилий, тогда как при проводке вертикальных и наклонных скважин с небольшими зенитными углами основная часть БК является растянутой.
Наиболее опасным следствием действия сжимающих нагрузок является локальная потеря БК продольной устойчивости, которая проявляется при бурении в режиме «слайдинга», т. е. без вращения бурильного инструмента, в форме плоской синусоиды, переходящей, по мере увеличения сжимающей нагрузки, к виду пространственной спирали - так называемый баклинг, соответственно, I или II рода.
При бурении с вращением БК и действии сочетания нагрузок, сжимающих продольных и центробежных поперечных, те же формы «баклинга» реализуются в виде колеблющейся плоской синусоидальной или пространственной спиральной «змейки», планетарно обкатывающейся вокруг собственной оси и оси скважины.
Повышенные силы и моменты сопротивления в ГСБП формируются нагрузкой, прижимающей элементы БК к стенке скважины, и, при отсутствии «баклинга», зависят, в первую очередь, от собственного веса колонны с учетом ее облегчения в буровом растворе. Опасность возникновения «баклинга» выше для невращающейся БК, поскольку при вращении продольные силы сопротивления существенно ниже.
Наличие протекторного утолщения на алюминиевых бурильных трубах, так же как и снижение расстояния между замками и протектором, заметно увеличивает продольную устойчивость трубы. Расчеты показывают, что оребрение наружной поверхности алюминиевой трубы способствует увеличению ее продольной устойчивости, за счет повышения жесткости, а сокращение длины усиливает этот эффект Так как критерием начала «баклинга» является потеря БК продольной устойчивости в форме синусоиды, то в практике бурения обычно должно соблюдаться условие, чтобы допустимая действующая сжимающая
Рис. 1. ЛБТ - базовое исполнение
II I I ■ ■
!! III ПШ
Рис. 2. ЛБТ-П - исполнение с протекторным утолщением в середине трубы
Рис. 3. ЛБТ-С - исполнение со спиральным оребрением наружной поверхности трубы
Анализ отечественных и зарубежных технологий, а также технических средств, применяемых для проводки горизонтальной скважины, позволяет сделать вывод о том, что рациональная компоновка бурильной колонны и эксплуатационные характеристики бурильных труб являются определяющими факторами, влияющими на эффективность бурения таких скважин.
нагрузка в различных сечениях БК была меньше критической нагрузки синусоидального «баклинга», при превышении которой сила контакта БК со стенками скважины резко возрастает.
Потеря устойчивости БК в ГС зависит от жесткости и веса труб в жидкости, а также от обобщенного радиального зазора между БК и стенкой скважины.
Согласно современным представлениям, БТ на горизонтальном участке ствола могут потерять продольную устойчивость в форме синусоиды при действии критической сжимающей нагрузки Ркр, величина которой оценивается [3, 4] по формуле:
(1)
К < >'
где: Е - модуль Юнга материала трубы; I- осевой момент инерции по сечению основного тела трубы; w -вес погонного метра трубы в буровом растворе; 8- обобщенный радиальный зазор между стенками скважины и БТ; К - коэффициент длины трубы, учитывающий расстояние между опорными сечениями БТ
Табл. 1. Сравнительные физико-механические свойства алюминиевых сплавов и сталей
Параметры физико-механических свойств материала БТ
Материал трубы Плотность Коэффициент линейного Предел текучести
Юнга Сдвига расширения минимальный
Размерность кг/м3 МПа МПа 1/°С МПа
Стали для БТ 7850 21,0х104 7,9х104 11,4 х10-6 380-1030
Сплав Д16Т 2780 71х104 2,7х104 22,6 х10-6 325
Сплав 1953Т1 2780 71х104 2,7х104 22,6 х10-6 480
Осевая нагрузка, которую можно довести по стальным или алюминиевым бурильным трубам до долота, при бурении горизонтального ствола 0215,9 мм в режиме «слайдинг», — коэффициенте трения 0,25 и плотности бурового раствора 1200 кг/мЗ.
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Максимально достижимая длина горизонтального ствола, м
6000
Рис. 4. Зависимость максимально достижимой длины ГС от нагрузки на долото 0215,9 мм при бурении скважины в режиме «слайдинг» и плотности бурового раствора 1200 кг/м3 с использованием одноразмерных секций, составленных из ЛБТ или СБТ
Теоретические исследования, выполненные компанией ЗАО «Акватик», показали, что для практической оценки возможности возникновения «баклинга» в сжатых БТ значение в зависимости от рабочей длины трубы и наличия протектора может изменяться в диапазоне: 1,0<К <1,5.
ЛБТ, оснащенные протектором и имеющие спиральное оребрение наружной поверхности, позволяют при бурении в режиме «слайдинга» с одной и той же осевой нагрузкой на долото увеличить максимально достижимую по условиям сохранения продольной устойчивости БК максимальную длину ГС.
В табл. 2, в качестве примера приведены расчетные значения критических си
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.