Основные виды вибраций породоразрушающего инструмента, их влияние на износ вооружения долот.
Для более подробного изучения темы оборудования, противодействующего негативным последствиям возникающих вибраций бурового инструмента, необходимо определить виды и ключевые особенности этих колебаний. Выделяются три основных типа: осевые, поперечные и крутильные вибрации. Осевые вибрационные колебания наиболее часто проявляются в момент перехода между пропластками различных горных пород, обладающих различными свойствами и характеристиками. Также возможно возникновение осевых колебаний при прохождении участков, состоящих из твердых пород. Направление таких колебаний совпадает с осью скважины. С одной стороны возникающая в результате такого движения дополнительная энергия позволяет более эффективно разрушать породу, но с другой – она разрушительно действует не только на долото, но и всю компоновку низа колонны бурильных труб. В результате повышается износ породоразрушающего инструмента, возникает риск деформации опор и нарушения герметичности, создает риски для подшипниковых узлов забойных двигателей и устройств телеметрии.
Крутильная вибрация – наиболее часто наблюдаемое осложнение при бурении с использованием PDC-долот. Повышает риски возникновения такого эффекта неправильный выбор режима бурения (например, при существенной осевой нагрузке и небольшой скорости вращения долото за один оборот чрезмерно погружается в разрушаемую породу), а также выбор агрессивного долота с целью ускорения прохождения интервала, что нарушает баланс жесткости буровой колонны и возникающего реактивного момента. Кроме того, повышение вероятности возникновения крутильной вибрации связано с увеличением глубины проведения работ и зенитного угла ствола, а также с прохождением участков, сложенных из твердых пород.
Проявление данного типа колебаний заключается в неравномерности вращения колонны, которое происходит с резкими замедлениями и ускорениями. Временами долото приостанавливается, что провоцирует увеличение крутящего момента и скручивание колонны бурильных труб, а после – проскальзывает со значительным ускорением. В результате этого повышается усталостный износ резьбовых соединений, возникает риск слома вооружения породоразрушающего инструмента, а также его отсоединения и падения в скважину.
Поперечные вибрации, как очевидно из названия, представляют собой колебания в поперечной плоскости, перпендикулярно оси ствола скважины. Согласно некоторым исследованиям примерно три четверти всех аварийных ситуаций возникают именно в результате значительных знакопеременных напряжений изгиба. Подобные колебания провоцируют такие явления как завихрение долота и завихрение колонны бурильных труб, которые представляют собой смещение точки, вокруг которой происходит вращение инструмента, от геометрического центра устройства. Направление вращения не только может быть любым, но также может постоянно изменяться. Это может приводить к неравномерному износу вооружения и корпуса долота и другого внутрискважинного оборудования.
Особенности комбинированного вращательного способа бурения с использованием лазеров.
Процесс бурения: Лазерное бурение разработано для бурения очень твердых пород. Механические резцы соскабливают «смягчившийся» слой.
Обычное буровое долото: нагрузка на долото 90000 Н, крутящий момент 1400 Нм.
Лазерное буровое долото: вес на долото <4500 Н, крутящий момент <140 Нм.
Меньшая нагрузка на долото. Лазерный сигнал передается по оптоволокну через всю систему (лазер - оптическое контактное кольцо -оптоволоконный кабель - скважинный соединитель - комплект оптики - забой). Компоненты буровой головки испытывают экстремальные давления, температуры и вибрации. Продувка азотом с высокой скоростью потока используется для поддержания оптической сборки в прохладном и чистом состоянии на протяжении всего процесса бурения. Позволяет пробуривать участки с высокими перегрузками, высокими температурами и высоким давлением.