L БУРЕНИЕ СКВАЖИН ,
L А
УДК 622.24.05
© А.А. Дронов, А.А. Саломатин, 2015
Анализ причин самопроизвольного отворота элементов раздвижного фрезерного и расширяющего инструмента
А.А. Дронов, А.А. Саломатин
(ООО НПП «БУРИНТЕХ» )
Адрес для связи: bit@burinteh.com
Ключевые слова: cамопроизвольный отворот, момент инерции, раздвижной фрезер, фрезерование, длина стружки.
Expanding milling and reaming tools elements spontaneous twist-off cause analysis
A.A. Dronov, A.A. Salomatin (BURINTEKH Ltd., RF, Ufa) E-mail: bit@burinteh.com
Key words: spontaneous twist-of, moment of inertia, sliding router, routing, length of the chip.
In the article the process of spontaneous flap elements tool for expanding the borehole and milling casing is considered on the example of the sliding router. The influence of such factors as the moment of inertia arising is evaluated during milling. Based on analysis of the milling process of the casing and a comparison with milling on the milling machine we identified factors that have the greatest impact on the tool wedges. The formula describing the dependence of the moment of inertia of the length of milled chips allows us to observe the time dependence of the probability and the length of the flap milled chips, from which we can get the minimum permissible value of the chip, where the flap is possible. Based on the collected statistics in real time we can monitore the moment of inertia.
Перед буровыми компаниями в настоящее время особо остро стоят задачи, связанные с улучшением технико-экономических показателей бурения и эксплуатации скважин. С каждым годом фонд эксплуатируемых скважин устаревает, и, как следствие, снижается добыча углеводородов. Задача улучшения технико-экономических характеристик эксплуатируемых скважин решается с помощью использования технологии строительства боковых стволов. Перед зарез-кой бокового ствола проводится вырезание части обсадной колонны раздвижными фрезерами. Решение указанной задачи для разрабатываемых месторождений - это снижение себестоимости 1 м проходки при строительстве скважины, а также предупреждение различных аварийных ситуаций, связанных с обвалом стенок скважины и неправильной формой сечения ее ствола. Для решения проблем такого рода используются раздвижные расширители. Кроме того, расширитель и фрезер применяются для проведения ремонтно-изо-ляционных работ (РИР).
Инструмент для расширения ранее пробуренного интервала скважины, а также оборудование для фрезерования интервала обсадной колонны и цементного камня эксплуатируются в сложных условиях: высокие температуры, неопределенность условий работы, скачки нагрузки и крутящего момента. Факторами, ухудшающими условия работы, являются также [1]:
- значительные вибрационные нагрузки, возникающие из-за невозможности обеспечения точной центра-ции расширителя или фрезера в стволе скважины либо обсадной колонне;
- наличие подвижных элементов, таких как механизм выдвижения рабочих лопастей, раздвижные рабочие лопасти и др.; это связано с обеспечением прохода в стволе
диаметром, меньшим конечного диаметра расширения или фрезерования;
- возможность установки нижнего центратора в зумпф и, как следствие, его прихват.
На основании анализа возможных осложнений, а также промысловой статистики можно сделать вывод, что до настоящего времени не рассматривалась проблема самопроизвольного отворота элементов инструмента. Исходя из этого, в статье исследуется процесс самопроизвольного отворота элементов инструмента для расширения ствола скважины и фрезерования обсадной колонны на примере работы раздвижного фрезера. Оценивается влияние на самопроизвольный отворот момента инерции, возникающего при фрезеровании.
Рассмотрим детально процесс фрезерования обсадной колонны раздвижным фрезером. Применяемые раздвижные фрезеры имеют различные конструкции, однако основные принципы их работы схожи. На рис. 1 приведена принципиальная схема активации, которая подходит для большинства современных раздвижных фрезеров. Инструмент работает следующим образом. Устройство со сложенными в транспортное положение лопастями 3, спускается на бурильных трубах к заданной глубине начала фрезерования, затем происходит активация фрезера, как правило, гидромеханическая. Активация подразумевает наличие механического активатора (толкателя) 1, который под действием перепада давления промывочной жидкости, создаваемого в корпусе фрезера 2, меняет свое положение и начинает передавать усилие на рабочие лопасти. Лопасти 3 под действием усилия толкателя 1 выдвигаются из корпуса до контакта с обсадной колонной, и далее начинается процесс врезки в обсадную колонну, что фиксируется на устье скачком момента. Процесс врезки в обсадную ко-
Рис. 1. Принципиальная схема активации раздвижного фрезера:
а - транспортное положение; б - врезка в обсадную колонну; в - рабочее положение; 1 - толкатель; 2 - корпус фрезера; 3 - лопасти
лонну в зависимости от ее диаметра, толщины стенки и конструкции фрезера варьирует от 30 мин до 3 ч. Окончание врезки и полное выдвижение лопастей фиксируются на устье снижением момента, после чего создается осевая нагрузка на фрезер и начинается процесс фрезерования обсадной колонны.
Для выявления причин самопроизвольного отворота оборудования, установленного ниже рабочих лопастей, рассмотрим работу раздвижного фрезера с точки зрения сил, действующих на него в процессе фрезерования (рис. 2). В нормальных условиях фрезер работает с частотой вращения 70-90 мин-1 [1], на него воздействуют усилием F и обеспечивают разрушающий момент Мр, необходимый для разрушения обсадной колонны и цементного камня. Однако частота вращения фрезера непостоянна: в процессе работы происходят заклинивания инструмента и, как следствие, его резкие, кратковременные остановки. Усилие, приводящее к кратковременным остановкам, возникает в точке контакта режущих лопастей и обсадной колонны. Оно передается через лопасти 4 на корпус 2 и далее через бурильные трубы на стол ротора. Момент заклиннивания Мз направлен противоположно разрушающему моменту Мр (см. рис. 2), следовательно, его возникновение не влияет на отворот резьбы выше корпуса фрезера. Однако для обеспечения центра-ции фрезера в обсадной колонне и предотвращения преждевременного выхода из строя его элементов из-за повышенных вибраций необходима установка дополнительного оборудования ниже корпуса фрезера. Это может быть как небольшой центратор 7, так и центратор
Рис. 2. Принципиальная схема работы раздвижного фрезера:
1, 7 - соответственно верхний и нижний центратор; 2 - корпус фрезера; 3 - горная порода; 4 - рабочие лопасти; 5 - цементный камень; 6 - обсадная колонна
с удлиняющим элементом. Момент заклинивания действует на центратор, вследствие чего возникает момент инерции Мин, способствующий отвороту при каждом заклинивании инструмента.
Заклинивания фрезера могут происходить вследствие действия многих факторов: как из-за включений особо твердых горных пород, так и из-за неоднородности структуры цементного камня. Несмотря на это, главный фактор заключается в процессе фрезерования металла и зависит от структуры и качества материала колонны. Во время фрезерования лопасти забуриваются в горную породу на незначительную глубину, а цементный камень, как правило, тщательно подготавливается перед заливкой и редко содержит особо твердые включения. Фрезерование обсадной колонны имеет сходство с фрезерованием металлической заготовки на фрезерном станке. Проведя параллель между этими процессами, можно применить зависимости, выявленные при обработке металлов, а также проанализировать проблемы, возникающие при обработке заготовки.
В общем случае фрезерование в технологии обработки металлов представляет собой обработку заготовки вращающимся многокромочным инструментом. Этот процесс зависит от ширины и глубины фрезерования, скорости подачи, удельной силы резания, частоты вращения шпинделя.
Рассматривая процесс фрезерования обсадной колонны, можно сделать вывод, что основными являются следующие причины заклинивания во время работы колонного фрезера.
1. Большая подача при малой частоте вращения.
Подача при фрезеровании зависит от осевой нагрузки
на инструмент. Она варьирует в широком интервале и зависит от многих факторов, таких как компоновка низа бурильной колонны, интенсивность искривления ствола скважины, нагрузка на крюке буровой установки. Кроме того, далеко не во всех случаях фрезерования точно от-тарированы датчики, на основании показаний которых проводится контроль момента, осевой нагрузки и частоты вращения фрезера.
2. Характеристики и качество фрезеруемой обсадной колонны.
Обсадные трубы изготавливаются из стали групп прочности от Д до Т [2]. В зависимости от группы прочности стали труб меняется удельная сила резания колонны. Кроме того, в основном фрезерование выполняется в длительно эксплуатируемых скважинах. Металл обсадной колонны под действием ряда факторов, таких как коррозия, деформация, механические повреждения, имеет несплошности, что проявляется при фрезеровании возникновением кратковременных скачков частоты вращения и момента. Процесс фрезерования контролируется на устье по показаниям датчиков, а также с помощью контроля выноса металлической стружки отфрезерованной колонны. На основании этих данных можно также сделать выводы о зависимости заклинивания от размера стружки фрезеруемой колонны. Как показала практика отработки колонных фрезеров, максимальная вероятность заклинивания возникает в момент обрыва нити стружки.
В среднем фрезерование продолжается от 15 до 40 ч в зависимости от свойств фрезеруемой колонны, качества цементного камня за колонной и интервала фрезерования. В течение этого времени происходят многократно повторяющиеся кратковременные подклинивания, при которых снижение частоты вращения в каждом случае различно. Частота вращения может изменяться от незначительной величины до полного заклинивания. Моментальные остановки при полном заклинивании происходят за короткий промежуток времени и периодически повторяются, следовательно, элементы, установленные ниже рабочих
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.