ракурс
щ
Долота StingBlade с алмазными коническими элементами
Новый рекорд эффективности бурения в высокотвердых карбонатных/кремниевых породах в Пермском регионе
STINGBLADE BITS WITH CONICAL DIAMOND ELEMENTS
A new record efficiency of drilling in hard chert formations rocks in the Perm region
M. PAK, Smith Bits, A Sclumberger Company
Paper covers new innovative technology from Smith Bits, A Schlumberger Company. New concept of drill bit, Sting-Blade, utilizing conical diamond element Stinger moved hard drilling to completely new level. Chert, pyrite, gravel, dolomites, hard limestone are the formations efficiently drilled by StingBlade. Mechanical properties, design concept
and implementation of StingBlade in Perm Region, Russia are covered.
Keywords: hard formation drilling, chert drilling, PDC bits, carbonates drilling
При разработке месторождений в северной части Пермского края необходимо бурить очень твердые карбонатные породы с высоким содержанием кремния. Бурение таких пород долотами PDC осложнено, а часто невозможно, т.к. их резцы не способны выдерживать сильные ударные нагрузки и получают серьезные повреждения и износ.
Возможным вариантом являлось применение шарошечного долота TCI (со вставками из карбида вольфрама), но невысокая механическая скорость проходки (МСП) и короткие рейсы с высоким числом оборотов на долото приводят к большому количеству спускоподъемных операций (СПО) для замены инструмента. Очевидно, что режущее действие долот PDC является самым эффективным механизмом разрушения горной породы и имеет наибольший потенциал высокой МСП по сравнению с дробящим действием шарошечных долот. Буровой компании требовалось долото PDC нового типа, которое сможет эффективно бурить продолжительные интервалы в карбонатных/кремниевых породах с высокой МСП и будет иметь режущую структуру, способную бурить кремниевые интервалы.
В связи с этим инженерами компании «Шлюмберже» было предложено использование революционной технологии - долото StingBlade* с алмазными элементами конической формы Stinger*. Для повышения надежности бурового инструмента инженеры также использовали систему моделирования IDEAS на основе метода FEA для разработки долота инновационного типа, при котором алмазные конические элементы и резцы PDC размещаются по всей режущей структуре - от центра долота до калибрующей части. При этом агрессивная форма алмазных конических элементов объединяется с превосходной ударной прочностью и износостойкостью, для создания высокоэф-
фективного режущего/вспахивающего действия, позволяющего улучшить показатели бурения в твердых породах. Анализ показал, что новое долото инновационного типа способно повысить эффективность бурения и противостоять ударным нагрузкам во время бурения твердых карбонатных/кремниевых пород.
ДИЗАЙН И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
В рамках разработки комбинированного режущего/вспахивающего механизма разрушения породы долот с резцами было проведено изучение новых режущих элементов и их оптимального расположения в целях повышения эффективности бурения. В результате получили инновационный поликристаллический алмазный элемент конической формы с толстым слоем алмазов - Stinger* (рис. 1). Коническая форма в сочетании с ультратолстым слоем поликристаллических алмазов обеспечивает превосходную ударную прочность и износостойкость. Применение данного элемента в центре долота PDC позволило повысить МСП и длину проходки.
Для выхода на принципиально новый уровень эффективности бурения эти конические элементы были стратегически расположены по всей поверхности долота, от калибрующей части до центра, а их точная ориентация в пространстве была получена с помощью моделирования в системе IDEAS на основе FEA (рис. 2). В результате появилась новая уникальная на сегодняшний день технология - долото StingBlade*. Новая конструкция позволила значительно усилить режущую структуру по сравнению с обычными долотами PdC. Основными задачами в области повышения эффективности являлись значительное повышение величины проходки и МСП.
М.С. ПАК,
магистр технических наук, руководитель группы проектирования и технической поддержки долот по России и Центральной Азии
mpak@slb.ru
Smith Bits, компания «Шлюмберже»
Обзор инновационной технологии от компании Smith Bits, StingBlade. Новая концепция буровых долот StingBlade, благодаря уникальному коническому алмазному элементу, выводит бурение твердых пород (таких как доломиты, известняк с содержанием кремния, пириты, пород с включением гравия) на абсолютно новый уровень. Раскрыты механические свойства режущих элементов, концепция дизайна и результат его применения в Пермском регионе России.
Ключевые слова: бурение твердых пород, бурение кремния, долота PDC, бурение карбонатов
Рис. 1. Уникальная ЭЭ-конфигурация
обеспечивает многочисленные преимущества по сравнению с обычными режущими элементами РЭС
Рис. 2. Два типа долот с алмазными коническими элементами: резцы PDC с алмазными коническими элементами Stinger (слева), долото, включающее только алмазные конические элементы Stinger (справа)
Поперечное сечение PDC
Поперечное сечение алмазного
конического элемента Stinger
Рис. 3. Ультратолстый алмазный слой обеспечивает превосходную ударную прочность и износостойкость
PDC резец
элемент Stinger
Рис. 4. Резец PDC разрушился при первом ударе; алмазный конический элемент выдержал 100 ударов без повреждения
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРОПРОЧНОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
Для обеспечения прочности алмазного конического элемента Stinger были проведены обширные исследования, позволившие усовершенствовать его форму и процесс производства в целях оптимизации свойств элемента. Несмотря на то что алмазные конические элементы выполнены из поликристаллического алмаза, как и обычные резцы PDC, они производятся с использованием запатентованного оборудования, обеспечивающего необходимое давление для достижения высокой ударной прочности и износостойкости элементов. По сравнению с обычными резцами PDC алмазные конические элементы имеют в два раза более толстый слой алмаза на конце (рис. 3).
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Для того чтобы количественно измерить ударную прочность алмазного конического элемента по сравнению с обычным резцом PDC, были проведены лабораторные испытания с использованием однорезцового устройства.
I .DD
оль
С. 50
Ol»
Износостойкость Ударная прочность Толщина
алмазного слоя
Рис. 5. Толстый алмазный слой конического элемента обеспечивает лучшую износостойкость и ударную прочность
Оба элемента сбрасывали на блок упроченной стали с силой удара 18 000 фунтов. Этот эксперимент имитировал переходное бурение долотом PDC от мягкого сланца к твердому известняку на скорости проходки 60 футов/ час. Резец PDC вышел из строя при первом же ударе, который полностью разрушил кромку резца (рис. 4). Конический алмазный элемент напротив, выдержал 100 ударов с силой 18 000 фунтов без повреждений.
0
J too
1С >00
\
■— -
24 00 0 зш s бОО
Рис. 6. Профиль наклонно-направленной скважины в метрах с интенсивностью набора зенитного угла 4,5°/30 м (максимально 6°/30 м)
При измерении износостойкости конического алмазного элемента использовался вертикально-токарный станок. Алмазный конический элемент помещали в зажим и неподвижно закрепляли в вертикально-токарном станке, после чего элемент перемещали на вращающийся гранитный цилиндр под давлением 30 000 фунтов/кв.дюйм. Данные испытаний показали, что конический элемент рассеивает теплоту трения эффективнее обычных резцов PDC и благодоря своей уникальной форме имеет более высокую износостойкость.
На основании результатов обоих испытаний было установлено, что толстый алмазный слой конического элемента Stinger практически удваивает его ударную прочность и на 25 - 30% увеличивает износостойкость по сравнению с обычными резцами PDC (рис. 5). Такие характеристики указывают на то, что долота с алмазными коническими элементами имеют большой потенциал для увеличения продолжительности рейсов и скорости проходки в условиях, предполагающих ударные нагрузки, включая твердые переслаивающиеся пласты/конгломераты, бурение в переходных породах и пластах с высоким содержанием пирита и кремния.
АНАЛИЗ УСПЕШНОГО ПРИМЕНЕНИЯ В РОССИИ
В Пермском крае России нефтедобывающая компания использует методику горизонтального бурения для разработки Унвинского месторождения. Участок ствола скважины 215,9 мм начинается на проектной глубине по вертикали примерно 900 м и заканчивается на глубине по стволу 2410 м (проектная глубина по вертикали 2150 м). Наклонно-направленное бурение в этом участке ствола обычно начинается от 7° с набором зенитного угла до 85° (рис. 6). Винтовой забойный двигатель используется для
ракурс
бурения наклонно-направленной скважины в трудных карбонатных породах, состоящих из очень твердых известняков с содержанием кремния.
Программа определения прочности горной породы DBOS компании «Шлюмберже» была применена на нескольких скважинах для определения прочности породы (рис. 7). В этой программе используются данные акустического каротажа, гамма-каротажа, каротажа плотности и пористости, газового каротажа, которые позволяют вычислить предел прочности породы. Информация анализируется инженерами для измерения буримости пород в участке ствола скважины 215,9 мм. Исследование показало, что известняк имеет предел прочности от 15 000 до 45 000 фунтов/кв. дюйм. На графике синяя линия означает предел прочности (от 0 до 30 000 фунтов/кв. дюйм), а левая колонка представляет пласт, в основном состоящий из доломитового известняка. Также наблюдается высокая концентрация кремния, который часто возникает на разной глубине в наклонно-направленном участке ствола скважины 215,9 мм.
Первоначальным решением были шарошечные долота TCI, но медленная МСП, короткие рейсы и риски, связанные с количеством оборотов на долото, приводили к большому числу СПО для смены инструмента (рис. 8. Скважина №1). Для повышения эффективности бурения путем устранения лишнег
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.