щ
технологии
Ресурсосберегающая технология бурения скважин долотами PDC в условиях перемежающихся по твердости горных пород
В.В. ЧУЛКОВА,
заместитель начальника отдела долотного сервиса ООО БСК «РИНАКО», магистрант МГРИ-РГГРУ им. Серго Орджоникидзе
ринлко
В статье приведены основные направления в решении задачи увеличения стойкости долот PDC в условиях перемежающихся по твердости горных пород. Показано, что за счет внедрения специальных более износостойких резцов и применения виброгасителей можно достигнуть существенного увеличения ресурса долота, а также средней механической скорости при строительстве скважин.
RESOURCE-SAVING TECHNOLOGIES OF DRILLING WELLS BY PDC BITS UNDER CONDITIONS OF VARIABLE HARDNESS ROCKS
V. CHULKOVA, «RINACO» BSK Co, Ltd.
There are given main directions in solving tasks of durability increasing of PDC bits under conditions of variable hardness rocks.
Key words: bit, PDC, cutters, vibration
В настоящее время шарошечные долота постепенно уступают долю рынка долотам с поликристаллическими алмазными резцами (PDC). Так, доля применения долот PDC c инженерно-технологическим сопровождением ООО БСК «РИНАКО» при строительстве нефтегазовых скважин в 2011 г составила 86%, долот шарошечного типа - всего 14%. Для сравнения: доля применения долот PDC в 2010 г составляла 63%. Технический прогресс в глубоком бурении позволяет наметить основные направления в решении ряда практических задач. Особую актуальность приобретает вопрос интенсификации процесса бурения долотами PDC в условиях перемежающихся по твердости горных пород от IV до VIII категорий по буримости Урало-Поволжского региона (Самарская, Оренбургская, Удмуртская области), в весьма
Рис. 1. Износ долота диаметром 220,7 мм
сложных горно-геологических разрезах Восточной Сибири из-за наличия массивных пластов интрузивных пород и чередования известняков и солей, а также в условиях вскрытия палеозойских отложений Западной Сибири.
При бурении в разрезах, представленных перемежаемыми по твердости горными породами, процесс отработки долота сопровождается осевыми, радиальными, тангенциальными колебаниями. В таких условиях резцы работают в постоянном режиме удара. Возникающие дополнительные ударные нагрузки на долото увеличивают их износ. Вследствие постепенного износа вооружения уменьшается удельная нагрузка на горную породу, что приводит к снижению механической скорости бурения.
По опыту отработок долот, основной износ приходится на периферийную часть долота (рис. 1 - износ долота диаметром 220,7 мм, рис. 2 - износ долота диаметром 215,9 мм). Резцы, расположенные на различных расстояниях по радиусу от оси долота, изнашиваются крайне неравномерно. В наиболее неблагоприятных условиях находится периферийное вооружение. Именно в этих точках лопасти наибольшая удельная мощность трения и наихудшие условия охлаждения. Износ периферийного вооружения долот чаще всего представлен сколами, истиранием, износом подложек с сопутствующим признаком термического перегрева. Износ элементов вооружения после бурения перемежаемых по твердости горных пород имеет смешанный абразивный и ударно-абразивный характер. Циклический нагрев и охлаждение поверхности во время работы и, следовательно,
48
технологии
чередующиеся расширение и сжатие поверхностных слоев приводят к появлению так называемых бороздок усталости (рис. 3).
Известно, что ГЗД также является источником, генерирующим вибрации, которые возникают из-за дисбаланса вращающегося ротора, люфтов в его радиальных опорах и кривизны вала и корпуса. Амплитуда поперечных вибраций может достигать 10 мм и более, а частота равна одному колебанию за один оборот. Интенсивный износ периферийной части долота происходит вследствие действия и этого фактора [1].
На сегодняшний день одним из основных ресурсов повышения эффективности (технико-экономических и качественных показателей) бурения долотами PDC является внедрение специальных более износостойких резцов, обладающих следующими свойствами: большей ударной, абразивной и термо-меха-нической стойкостью (рис. 4). Экспериментальная установка резцов нового образца предполагается на периферийных частях лопастей как наиболее нагруженных в новых модификациях долот производства «KINGDREAM» (Китай).
Но, рассматривая задачу ресурсосберегающей технологии бурения долотами PDC в условиях перемежающихся по твердости горных пород, нельзя ограничиваться совершенствованием конструктивных параметров непосредственно самого долота. Процесс бурения следу-
Рис. 2. Износ долота диаметром 215,9 мм
ет рассматривать как многофакторную систему, где даже самые дорогие и прогрессивные конструкторские идеи могут быть сведены на «нет» при неблагоприятных забойных условиях, возникающих вследствие вибраций.
Очевидно, что вибрации оказывают разрушительное воздействие на долото, УБТ, бурильные трубы, на технологический процесс в целом. Усложняется управление техническими параметрами, не выдерживается оптимальный режим бурения, резко возрастают затраты мощности на вращение бурового снаряда [2].
Среди возможных путей борьбы с вибрациями - установка в КНБК забойных амортизаторов (виброгасителей). Стабилизация КНБК при работе долота PDC - один из важнейших факторов, определяющих его эффективность в условиях перемежающихся по твердости горных пород, т. к. именно таким технологическим решением может быть достигнуто равномерное нагруже-ние всех резцов. На сегодняшний день применение забойных амортизаторов не имеет широкого распространения, поэтому исследований работы долота PDC в условиях виброгашения не проводилось. В Восточной Сибири применение забойных амортизаторов стало обязательным условием при отработке долот. Данный метод борьбы с вибрациями следует считать перспективным при строительстве нефтегазовых скважин и в других регионах Российской Федерации.
В качестве критерия оценки эффективности процесса взаимодействия долота с горной породой целесообразно использовать общепринятый энергетический показатель, а именно удельную энергоемкость [3]:
IV
ш = —
Уя у '
"п
где W - энергия, затрачиваемая на процесс бурения;
Vп - объем разрушения горной породы, или что то же:
Ударная стойкость
Абразивная стойкость
мо-механическая стойкость
Рис. 4. Свойства резцов PDC. Ударная, абразивная и термо-механическая стойкость
W = ''уд
N3tp SV„tp
Vм - механическая скорость; 1р - время бурения за рейс.
Показатель удельной энергоемкости можно рассматривать как параметр, отражающий предельные возможности пары «долото - горная порода» при определенных сочетаниях режимов.
Подобный комплексный подход к процессу отработки долот PDC и инженерно-технологическое сопровождение бурения позволят добиться существенного увеличения стойкости вооружения, увеличения проходки на долото, а также средней механической скорости при строительстве скважин.
Литература
1. Симонянц С.Л. Проблемы модернизации турбинного бурения. Тюмень: Изд-во «Вектор Бук», 2003. 40 с.
2. Корнилов Н.И., Травкин В.С., Берестень Л.К., Коган Д.И. Породо-разрушающий инструмент для геологоразведочных скважин. М.: Недра, 1979. 109 - 110 с.
3. Соловьев Н.В., Чихоткин В.Ф., Богданов Р.К., Закора А.П. Ресурсосберегающая технология алмазного бурения в сложных геологических условиях. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 1997. 147 с. ■
Рис. 3. Появление так называемых
бороздок усталости вследствие циклического нагрева и охлаждения
где N3 - забойная мощность; S - площадь разрушения,
ООО БСК«РИНАКО»
123458, г. Москва, проезд № 607, дом 30 Тел/факс: (495) 987-30-31, 987-30-33
e-mail: bsk@bsk-rinako.ru www.bsk-rinako.ru
Ключевые слова: долото, PDC, резцы, вибрации
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.