ЭФФЕКТИВНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДОЛОТ РЕЖУЩЕ-СКАЛЫВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ
Е. СТРУГОВЕЦ, Р. АШИМОВ, ОАО ««нпп ««Бурсервис»
Современные технологии строительства скважин характеризуются все возрастающими объемами бурения долотами режуще-скалывающего действия PDC. Эти долота в сочетании с высокомоментными забойными двигателями помогли решить одну из актуальных проблем — надежное и существенное увеличение проходки за долбление. Причем достигается это без потерь механической скорости и, следовательно, обеспечивает также надежное увеличение рейсовой скорости — основного показателя эффективности работы долот.
Помимо рейсовой скорости увеличение проходки улучшает баланс календарного времени строительства скважин:
— сокращаются затраты времени на подготовительно-вспомогательные работы ПВР вследствие совмещения многих видов этих работ с периодами механического бурения;
— сокращаются затраты времени на преодоление осложнений, связанных с гидродинамическими воздействиями на неустойчивые интервалы ствола скважины вследствие сокращения спуско-подъемных операций СПО при высоких проходках. В результате коммерческая скорость увеличивается от роста проходок значительнее, чем это показывает рейсовая скорость. Затраты времени на ПВР, как правило, выше, чем на СПО, поэтому косвенный эффект от роста проходок превышает видимый эффект
— через количество СПО. Особенно резко это проявляется в зимний пери -од и в районах Севера.
Однако эффективное применение долот PDC требует принципиального изменения организации долблений. При высокооборотном турбинном бурении из-за сравнительной кратковременности долблений задачи ограничиваются стремлением достичь максимума темпов углубления забоя, предотвратить тот или иной вид ослож -нения и аварийной ситуации, или ориентированием ствола скважины. При бурении долотами PDC, когда время долбления составляет сотни часов,
а проходка — тысячи метров разреза, в ходе бурения преодолеваются как интервалы устойчивых горных пород, так и интервалы, потенциально осложненные, причем нередко с совмещением осложнений противоположного характера: проявления — поглощения и т.п.
Сюда же следует отнести большое количество осложнений, которые не связаны с геологическими условиями бурения и зависят, главным образом, от технической оснащенности буровых и технологической дисциплины.
Итак, при использовании долот PDC каждое долбление является процессом многофункциональным и требует спе -циальной подготовки для успешного его выполнения. Рассмотрим некото -рые основные элементы этого процесса. Будем рассматривать бурение основных стволов долотами диаметром 215,9 мм.
РЕЖИМ БУРЕНИЯ И ОПТИМАЛЬНАЯ
ОТРАБОТКА ДОЛОТ PDC Эта задача приобретает первостепенное значение при разбуривании устойчивых малопроницаемых горных пород.
До сих пор нет единого мнения по указанному вопросу, и подход к проектированию режимов бурения забойными двигателями отличается по своим приоритетам:
■ режим бурения на основе изучения физико-механических свойств горных пород (сюда же следует отнести и результаты исследований единичных актов разрушения при динамическом вдавливании);
■ статистическая обработка предшествующего опыта бурения
Не
с использованием банка дан -ных геолого-технологических исследований ГТИ;
■ подведение к долоту максимальной мощности в предположении, что чем больше мощности реализуется на забое, тем выше показатели (так называемый форсированный режим бурения);
■ за исходный момент режима бурения принимаются условия надежного транспортирования выбуренной породы на поверхность.
отрицая смысла и значения сказанного выше, можно утверждать, что эти факторы имеют второстепенное значение для проектирования режимов бурения.
На самом деле основой бурения является углубление забоя, которое при всех способах вращательного бурения производится при значительных нагрузках на породоразрушающий инструмент. Как следствие, основным технологическим параметром при бурении забойными двигателями становится крутящий момент. Примени -тельно же к условиям бурения турбобурами с резино-металлическими осевыми опорами основой и определяющим фактором становится линия моментов двигателя, поскольку величина крутящего момента находится в сложной взаимосвязи с условиями промывки и динамикой процесса бурения. Именно этот метод был реализован в Западной Сибири и в сжатые сроки привел к оптимальной технологии бурения [1]. Характерно, что за последние 30 лет применения этой технологии показатели работы долот практически не изменились.
Основные элементы оптимизации [1, 2] таковы:
■ выявление удельных моментов для рассматриваемых условий бурения;
■ поддержание на валу двигателя «запаса» крутящего момента для стабильной работы двигателя и долота;
■ обеспечение примерного равенства нагрузки на долото с величиной гидравлической нагрузки «сверху вниз» от перепадов давления в турбине и насадках долота в целях
уменьшения потерь на трение в осевой опоре и улучшения линии моментов двигателя;
■ оптимальные условия промывки как с учетом требований крутящего момента, так и критерия минимума дифференциального давления в системе «скважина — пласт» [3]. Величина необходимого запаса крутящего момента D М диктуется следующими обстоятельствами. Момент инерции вращающихся масс деталей двигателя и долота (из-за естественной ограниченности их диаметров) очень мал по сравнению с моментоемкостью процесса бурения. Отметим несколько факторов, обуславливающих трудно-контролируемые изменения моменто-емкости:
■ неоднородность геологического разреза по механическим свойствам горных пород;
■ неравномерность ручной подачи инструмента на забой через колонну бурильных труб;
■ пульсация потока бурового раствора;
■ динамические эффекты на забое, которые изменяют моментоемкость с периодичностью в сотые и тысячные доли секунды.
Из опыта высокооборотного турбинного бурения в Западной Сибири известно, что D М должно быть не менее 300 кНм. При отсутствии такого «запаса» крутящего момента незначительные перегрузки двигателя способны за сотые и даже тысячные доли секунды вызвать необратимое торможение [4]. Дефицит D М ухудшает и стабильность работы двигателя по частоте вращения, которая не менее важна, чем нагрузка на долото. Вот пример этого влияния. Производилась замена одной из секций трехсекционного турбобура на корпус секции, внутри которого монтировался маховик из УБТ 146 мм. Показатели работы долот от этого повышались как по механической скорости, так и по проходке, несмотря на уменьшение крутящего момента на 1/3.
Закономерности отработки шарошечных долот на базе высокооборотных турбобуров принципиально приемлемы и для долот PDC. Конечно, винтовые двигатели и редукторные турбобуры, с помощью которых отра -батываются долота PDC, создают крат -но более высокие крутящие моменты. Однако и моментоемкость бурения долотами PDC также кратно выше (в 2,5 — 3 раза по сравнению с шарошечными долотами). Соответственно этому следует увеличивать и D М, не менее 750 — 900 кНм. С учетом максимальных нагрузок на долото крутящий момент на валу должен составлять не ме -нее 6500 — 7000 кНм.
Исследованиями [5] установлено, что размах колебаний скорости вращения у редукторных турбобуров на порядок
меньше, чем у высокооборотных турбобуров. Однако и чувствительность породоразрушающих элементов долот PDC к динамике нагружения, очевидно, иная, чем у шарошечных долот. А кроме того, время долбления долотами PDC также на порядок больше. Поэтому вопрос стабильности работы двигателя при использовании долот PDC не менее важен, чем для шарошечных долот.
Теперь относительно частоты вращения долот. При высокооборотном бурении частота изменяется в пределах 400 — 1000 об/мин. В этом диапазоне механическая скорость изменяется незначительно, тогда как проходка существенно возрастает по мере снижения частоты. Это направление было одним из центральных при решении некоторых вопросов оптимизации: выборе забойных двигателей и правилах отработки долот.
При бурении долотами PDC на базе редукторных турбобуров и винтовых двигателей частота вращения изменяется от 100 до 350 об/мин. В этом диапазоне закономерность прямо противоположна: увеличение скорости бурения в первом приближении пропорционально скорости вращения и частота вращения меньше влияет на проходку [5]. Указанная закономерность наблюдалась ранее во многих исследованиях и объяснялась влиянием времени контакта зуба долота с горной породой. В диапазоне частот высокооборотного бурения время контакта t больше влияет на эффективность единичных актов разрушения при взаимодействии зуба с породой. При средних и особенно малых частотах вращение t меньше влияет на эффективность разрушения. Очевидно, что при отсутствии влияния t на характер единичных актов разрушения скорость бурения и прямо пропорциональна частоте вращения.
Если судить по углублению забоя за один оборот долота (показатель вполне объективный), то при высокооборотном бурении даже в Западной Сибири объемный режим разрушения осуществляется только в первом долблении из-под кондуктора. Во всех остальных долблениях — разрушение поверхностное или объемно-усталостное. Поскольку при бурении долотами PDC примерно рав -ная механическая скорость достигается при кратном снижении частоты вращения, режим разрушения более интенсивный во всех интервалах разреза, и это, как будет показано далее, создает дополнительные преимущества применения долот PDC.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ
ВЫБРОСОВ БУРОВОГО РАСТВОРА И ПЛАСТОВОГО ФЛЮИДА
Предупреждение этого наиболее сложного и опасного вида осложнения, развитие которого способно привести
к выбросу инструмента и ликвидации скважины, в настоящее время решается посредством раннего распознавания зоны АВПД и контроля этих давлений на основе измерений определенного комплекса технологических парамет -ров службой геолого-технологических исследований — ГТИ. Однако техноло -гические параметры сигнализируют об изменении пластовых давлений и фильтрационных процессов в системе «скважина — пласт» с большим запозданием. Когда еще пластовый флюид в достаточном количестве накопится и дойдет до поверхности, а сам процесс приток
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.