Часть III – Основы выбора долот для конкретных приложений

Выбор долот - основное

Цели подбора типа долот

Оптимизация МСП и стойкости долот

Обычно выбор долота подразумевает подбор такого долота, которое обеспечивает нужный баланс между стойкостью и МСП. Невозможно достич макисимальных значений этих показателей одновременно. Нужный баланс между ними – это достижение оптимальной МСП и оптимальной стойкости долота для конкретного приложения.

Низкий уровень аварийности

Недостаточно подобрать долото, которое вроде бы удовлетворяет нужному балансу МСП и стойкости, необходимо также быть уверенным, что вероятность раннего выхода из строя долота также мала: например, риск потери шарошки из-за раннего выхода из строя опоры долота низок, либо, что дорогое долото типа PDC не будет разрушено в породе, для которой оно не предназначено.

Поддержание диаметра скважины близким к номинальному

Долото должно быть способно удерживать диаметр ствол скважины номинальным. Если этого не происходит, то при использовании следующего долота, оно будет подвергаться ненормальным нагрузкам и износу до того, как достигнет забоя. Возможно даже его повреждение, если адекватные меры не будут приняты при спуске в скважину. Если в конце секции отрабатывается долото с диаметром меньше номинального, то возможны затруднения при спуске обсадной колонны.

Управляемость

Пропорция наклоннонаправленных (ННС) и горизонтальных скважин (ГС) по отношению к вертикальным (ВС) неуклонно растет. Также растет и сложность этих скважин, в то время как требования к точности их траектории возратают. Следовательно, для таких приложений необходимо подбирать долото с необходимой управляемостью.

При строительстве большинсва ННС И ГС используются забойные двигатели. При использовании шарошечных долот, необходимо подбирать такие долота, которые поддерживают высокие скорости вращения.

Работоспособность вооружения

Выбранное долото должно выдерживать изменения в характеристике породы и допускать изменения в параметрах бурения. При неправильном выборе долота, его вооружение может выйти из строя очень быстро, даже в начале интервала.

Стоимость бурения

Мы рассмотрели несколько ключевых факторов, влияющих на выбор долота. Несмотря на их разницу, в них есть одна общая цель:

У каждой вещи существует стоимость. Если процесс выбора долота удачен, стоимость будет сведена к минимуму. Если выбор был неправильный, стоимость возрастет. Несмотря на то, что выбор долота – это в первую очередь расчет экономических показателей, сама его цена, как мы увидим ниже, не имеет большого значения.

Основные принципы

Вступление

В от последовательность, которой необоходимо придерживаться при выборе долот:

Вначале, нам необходимо определится с тем, что мы хотим от долота, следовательно, мы характеризуем приложение.

После этого, мы ищем схожие приложения и собираем о них данные.

Затем мы анализируем показатели отработки долот при тех условиях и литологии и оцениваем ориентировочный уровень показателей отработки.

Теперь возможны несколько вариантов, некоторые из которых уже испытывались, а некоторые возникли после проведенного анализа и неудач предыдущих попыток.

Определите полную стоимость каждого из этих вариантов и выберете тот, в котором скорей всего будет минимальная цена бурения одного метра.

Выбор долот – определение задач

Итак, мы задаемся вопросом: «Что мы хотим от долота?», следовательно, мы можем оценивать показатели отработки в тех же вопросах. Вопросы, интересующие нас здесь, ведут напрямую к данным, собранным с предыдущих скважин.

Существует четыре основных направления интереса:

• Литология

• Интервал

• Траектория

• Другие (Буровой раствор, проработки, разбурка оснастки обсадной колонны и т.д.)

Литология

Необходимые знания по литологии для корректного выбора долота можно получить из серии вопросов.

Какие типы пород присутствуют?

Основной вопрос: начальная точка наших поисков.

Какие изменения происходят в этих породах?

Показатели отработки, измеренные по МСП, величине пробуренного интервала или по износу долота, значительно различаются, даже если предполагается, что долото работает приблизительно в одних и тех же породах. Такие отличия часто происходят из-за разницы в литологии. Существуют известняки и сущестуют известняки!

Абразивны ли породы?

Абразивные породы причиняют большой вред состоянию долота. В сцементированных абразивных породах долота PDC испытывают ударные нагрузки, фрезерованные долота быстро изнашиваются, снижается стойкость опоры и уплотнения, а также калибра долота.

Однородны ли они или гетерогенны?

Для всех типов буровых долот предпочтительно бурение в гомогенных породах. Изменение типов породы вызывает стресс вооружения долота, а в шарошечных долотах и опоры. В такой обстановке отдельные резцы, зубы или зубки испытывают высокие нагрузки. Также при смене пород возможно возникновение разрушающей вибрации.

Для углубления и улучшения понимания присутствующей литологии, и как она влияет на показатели отработки долот, проводится анализ крепкости пород.

Анализ крепости пород

Мы можем установить крепкость пород на сжатие из данных ГФИ несколькими схожими путями. Базовые требования – наличие гаммы и акустического каратожа, а так же шламограммы. Крепкость пород на сжатие зависит от времени движения звуковой волны по определенным уравнениям, где константами определяются в зависимости от определенного типа литологии.

Процесс расчета

Д ля обычного анализа крепости пород на сжатие требуется несколько этапов. Таблица справа резюмирует их.

Исходя из данных шламограммы и каратожа мы выбираем интервал, в котором находится не более трех разных видов литологии. Затем мы оцениваем и определяем показания гаммы каратожа для этих типов породы. Программа проверяет данные для каждого интервала, исходя из предельных значений для литологии, которую мы выбрали по гамма показаниям, и рассчитывает эффективность, модуль Юнга, глинистую фракцию и, наконец, крепость пород на сжатие.

Кроме того мы можем делать и другие расчеты. Например, TerraScope дополнительно рассчитвает несколько показателей, влияющих на показатели отработки. Абразивность определяется по «внутреним углам трения»; потенциальность возникновения сальника – из типа породы; анализ возможных вибраций – по контрасту в смежных породах.

Окончательный результат может быть представлен с начальными данными. По опыту мы знаем какие типы долот следует использовать для конкретных значений крепости пород. Запомните, что пиковые значения, встречающееся, возможно, только в тонких пропластках, могут быть не менее важны, чем общие средние значения крепости породы всего интервала.

Типичные значения крепости пород

Очень низкие значения

< 4,000 psi

Вязкопластичные глины;

Мягкие глины;

Аргиллиты;

Рыхлые пески

Низкие значения

4,000 – 8,000 psi

Мел; Аргиллиты;

Глинистые песчанники;

Мягкие глины;

Осадочные соли;

Мягкие алевриты;

Средние значения

8,000 – 16,000 psi

Конгломераты; Песчанистые и меловидные известняки; Мергели; Средние и среднетвердые песчанники; твердые глины; осадочные соли;

Мягкие алевриты

Высокие значения

16,000 – 32,000 psi

Твердые пропластки; Твердые доломиты; Кристалические известняки;

Твердые (хрупкие) глины;

Твердые песчанники; Мягкие алевриты;

Высокие значения

> 32,000 psi

Очень мелкозернистые спрессованные песчанники; Кремнистые сланцы; Кварциты;

Вулканические породы;

Метаморфические породы;

Ограничения

Идея расчета крепости пород – очень полезна при выборе типа долота. И он намного полезней, если инженер в курсе недостатков этого расчета.

• Расчитанные значения зависят от правильного определения литологии пошаговым анализом. В свою очередь это зависит от мнения и опытности инженера и качества алгоритмов программы.

• Долота PDC сильно зависят от абразивности породы. Данный метод дает ее приблизительные значения.

• Анализ дает нам отличные знания для выбора типа долота для скважины, которая уже пробурена! Точно мы не знаем, только предполагаем, насколько схожа будет планируемая скважина с той, которую мы выбрали для расчета.

Рекомендации

Несмотря на вышеперечисленное, благодаря результатам расчета выбор типа долота становится более точным и правильным. Общие рекомендации приведены в следующей таблице. Процесс выбора более эффективен при использовании других способов анализа данных с предыдущих отработок.

• Долото с агрессивным вооружением 1,000 - 15,000

• Долото с среднем вооружением 10,000 - 20,000

• Долото с износостойким вооружением 15,000 - 30,000

• Долото с ультра износостойким вооружением 15,000 - 40,000

• Алмазные долота 35,000 - 80,000

Управляемость

Какие действия должно будет совершать долото для поддержания заданной траектории скважины? Каков профиль скважины?

• И

  • Тангенсальный

  • Горизонтальный

  • Вертикальный

  зменение азимута скважины

• Набор угла

• Падение угла

• Комбинации

Насколька велика интенсивность изменения зенитного и азимутального углов?

Каким образом это будет достигнуто?

• Роторная КНБК

• Управляемая КНБК

• Роторная управляемая КНБК?

Какаая планируемая КНБК? Какой будет использоваться тип двигателя (высоскоростной либо тихоход)?

На управляемых КНБК очень важен угол перекоса двигателя – чем он выше, тем больший стресс испытывает долото. Какова пропорция времени между бурением с корректировкой угла и стабилизацией (с вращением ротора)? (Нежелательные стрессы действуют на долото при эксцентричном вращении с углом перекосса чем в режиме корректировки угла.)

Комбинация вращения от забойного двигателя и с поверхности имеет очень большое значение для шарошечных долот, так как она оказывает большое влияние на стойкость опоры долота. Кроме того она оказывает огромное влияние на вооружение всех типов долот – высокие значения скорости вращения в твердых породах часто приводят к повреждениям.

Проходка

Мы стремимся, чтобы износостойкости выбранного долота совпадала с длиной и трудностью секции. (Под трудностью секции, в данном случае, подразумевается 2 других фактора – литология и требования к управляемости).

Интервалы большой протяженности

О

Интервал 5,000’ 2,500’ x 2

МСП 50’/час 75’/час

Время бурения 100 часов 33,3 часа х 2

Время СПО 8 часов 13,5 часа

Общее время 108 часов 80,1 часа

Стоимость работы $1,000/час $1,000/час

буровой

Стоимость долота $35,000 $22,000 х 2

Общая стоимость $143,000 $124,100

Стоимость $28,6 за фут $24,82 за фут

бычно подразумевается, что для интервалов большой протяженности требуются более износостойкие долота. Альтернативой, не рассматриваемой достаточно часто, является использование в них нескольких долот.

Например, представьте интервал, который можно пробурить за один спуск (первый столбик таблицы справа). Интервал протяженностью 5000 футов может быть пробурен со скоростью 50 футов/час. Следовательно, это займет 100 часов бурения, но для этого еще требуется спустить и достать долото в скважину. С учетом времени на СПО (8 часов) общее время составит 108 часов.

Какова стоимость такой работы? Предположим, что один час работы буровой составляет $1,000, а цена долота - $35,000, тогда общая стоимость равна $143,000, и следовательно, стоимость бурения одного фута $28.60.

Однако, что если мы можем пробурить данный интервал быстрее: мы можем отказаться от стойкости долота в угоду МСП. Для этого нам потребуется два рейса, но в каждом из них скорость бурения будет значительно выше, чем в при одном.

Возможные результаты можно увидеть во втором столбце. Бурение с двумя долотами прошло в среднем быстрее на 50%, съэкономив время работы буровой, но с дополнительным рейсом СПО. Кроме того добавилась стоимость дополнительного долота (новые долота более дешевые. Более быстрые шарошечные долота могут быть с фрезерованным вооружением взамен штырьевого. Если это долото PDC, то в нем будет меньшее количество резцов.) Конечная стоимость меньше на $17,000, следовательно, стоимость бурения одного фута упала до $24,82..

Такие ситуации не всегда возникают. Во многих случаях заканчивание секции одним рейсом, или минимальным количеством рейсов является предпочтительным решением. Даже если стоимость бурения одного метра ниже при использовании большего количества долот, как в данном примере, могут возникнуть трудности с стабильностью стенок скважины, что в конечном счете приведет к увеличению рейсов для проработки. Тем не менее, всегда стоит помнить о возможности альтернативы.

Другие факторы

Наконец, мы рассмотрим остальные разносторонние факторы. Ярлык разносторонние не означает, что они не важны. Иногда они имеют решающее значение.

Тип бурового раствора

Для долот с фиксированными резцами этот фактор критичен. Многие дизайны не будут работать, либо будут работь очень неэффективно, при использовании растворов на водянной основе в определенных породах. Для правильного выбора долота PDC мы должны знать тип бурового раствора.

Тип бурового раствора также важен и при использовании шарошечных долот, так как также существует риск возникновения сальника в растворах на водяной основе. Использование таких растворов будет предпочтительно на агрессивных дизайнах с хорошей гидравликой..

Мы уже говорили, что длительность рейсов обычно недостаточна, чтобы синтетические либо растворы на нефтяной основе могли снизить стойкость уплотнения опоры (См. раздел буровые растоворы).

Проработки

Буровые долота не проектируются для проработок. При них нагрузки на долото довольно отличаются от нагрузок при нормальном бурении, что оказывает стресс как на вооружение долота, так и на его опору. Необходимо знать, требуются ли проработки при бурении в данных условиях, и, если да, то насколько они будут трудные. Проработка нескольких метров в трех-четырех точках ствола скважины не окажет особого влияния. Нам интересны длительные, сложные интервалы, требующие для проработки довольно много времени, которые значительно снизят общие показатели отработки долота. Как правило, долота PDC не используются для проработок.

Обратные проработки при подъеме еще более вредны. Долото теряет диаметр, а опоры выходят из строя.

Разбурка элементов оснастки обсадной колонны

Разбурка оснастки обсадной колонны может быть проблемой для любого долота: продавочная пробка, которая не должна вращаться, начинает это делать, башмаки предназначенные для разбурки долотами PDC, ими не разбуриваются. Мы должны быть осведомленны о том, какие элементы оснастки присутствуют в обсадной колонне, и, исходя из этого, подбирать соответствующий тип долота.

Металл

Ожидаем ли мы наличие металла? Сколько? Какого рода? Находится ли он забое? Каковы его размеры? Что нам будет стоить дополнительный специальный рейс для его разбурки? Что нам будет стоить, если его не будет?

Если такой рейс необходим, то для него лучшим решением является фрезерованное долото с короткими зубами. В других обстоятельствах, при серьезной проблеме, возможно потребуется использование торцового фреза либо металоуловителя.

Вибрации

В некоторых породах или приложениях вероятно возникновение вибраций. Использование специальный стабильных долот, либо особенностей для стабилизации.

Критические факторы

Когда мы рассмотрели все вышеперчисленные характеристики, наступает время решить, что является критичным для данного приложения. Например, ключевым элементом для секции 17 ½” может быть необходимость набора угла с 0 до 50⁰.

Выбор типа долот – данные о предыдущих отработках

Три принципа выбора типа долота

Д анные о предыдущих отработках критичны при выборе типов долот. Они настолько критичны, что можно сказать: три принципа выбора типа долот:

• Данные о предыдущих отработках

• Данные о предыдущих отработках

• Данные о предыдущих отработках

Нам необходимо знать какие долота использовались в данном приложении ранее, и как они работали. Такие данные – это начало и конец процесса выбора долота в прямом и переносном смысле.

Это фундаментальный массив знаний для корректного выбора. Чем он будет лучше и схож с планируемой скважиной, тем ближе мы подойдем к оптимальному решению. Из него можно будет судить о том, какой тип долота даст нам показатели, которые нам требуются, какие особенности (защита калибра, центральная насадка и т.д.) будут необходимы, или использование какого нового дизайна приведет нас к цели.

В буквальном смысле, мы назвали их «началом и концом», потому что, по-правде, это циклический процесс. Благодаря этим данным мы делаем выбор долота, результаты отработки этого типа дают нам новые данные, потверждая правильность выбора, и материал для следующих изменений особенностей или параметров отработки, либо указывая нам путь в новом направлении.

Данные зависят от нашей цели: только точно зная, чего мы хотим достигнуть при использовании данного долота, мы ищем соответствующую информацию.

Данные зависят от показателей отработки: мы ищем схожие приложения и смотрим, что в них работало хорошо, и что плохо; и, самое главное, сравниваем показатели отработки.

Источники данных о предыдущих отработках

Следующие источники содержат информацию от предыдущих отработках:

• Карточки отработки долот

• Ежедневные отчеты

• Отчеты о заканчивании скважины

• Отчеты инженеров по буровым растворам

• Каротажные данные

• Отчеты инженеров по кривлению скважин

• Личные рассказы и случаи

Этот список не всесторонен. Вы можете вспомнить другие источники данных: будьте сообразительны.

Итак, у нас есть необходимые данные – что дальше?

Один принцип выбора типа долота