Технология бурения скважин

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

161

Обеспечивая круговой контакт калибрующего вооружения, маловероятно, что долото сместится к стенке ствола скважины, что будет уменьшать боковые вибрации, продлять срок службы режущих структур и повышать качество ствола скважины. Эти долота создают минимальный реактивный крутящий момент и колебания величин крутящего момента и они бурят ровные стволы скважины, облегчая скольжение инструмента и передачу веса, что важно для управления компоновкой при наклонно-направленном бурении. Долота Steeringwheel сочетают эффективность работы шарошечных долот при наклонно-направленном бурении с высокой механической скоростью бурения долот с синтетическими поликристаллическими алмазами и отвечают всем требованиям в отношении бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин, включая малый коэффициент удлинения (LAR), равномерный крутящий момент и стабильное противовихревое действие. Короткое долото легче повернуть, чем длинное. Долота LAR имеет коэффициент удлинения, т.е. величину длины долота, поделенную на величину диаметра, меньше единицы, и оно может легче обеспечить угол набора и падения зенитного угла и поворота азимутального угла.

Предназначенные главным образом для контроля при наклонно-направленном бурении, долота Steeringwheel имеют короткий калибрующий диаметр и плоский профиль, что удовлетворяет требованиям LAR. Резцы с синтетическими поликристаллическими алмазами, которые следуют друг за другом, стремятся работать по бороздам, созданным ведущими резцами, что восстанавливает стабильность. Однако, глубокие борозды уменьшают режущую эффективность и снижают механическую скорость бурения до 66%. В модифицированных долотах применяется конфигурация с двойными лопастями с умеренным следованием по бороздам для балансировки стабильности и механической скорости бурения (рис. 80). Резцы на основныхлопастях удаляют около 80% породы. Резцы на второстепенных лопастях удаляют меньше материала и не снижают механической скорости бурения подобно дополнительным резцам на лопастях сильно вооруженных стандартных долот. Когда модифицированные долота встречают твердые породы, вторичные долота играют более важную роль. Последовательные резцы снижают нагрузки на основные резцы и улучшают стабильность долота, обеспечивая их больший срок службы. Долота Steeringwheel и Transformation обеспечивают дополнительную стабильность для конструкций LFG.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

162

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

163

В них используется передовая гидравлика. В запатентованной конструкции перекрестного потока применяются корпусные насадки, направленные на каждую основную лопасть, и внекорпусные насадки перед каждой вторичной лопастью. Промывочная жидкость выходит из наружных насадок, очищая и охлаждая только резцы на вторичных лопастях перед попаданием внутрь. Высокоскоростной поток с внутренних насадок создает перепад давления, или эффект Вентури, который притягивает поток от наружных насадок через долото по суженному месту между лопастями. Основные лопасти получают промывочную жидкость от внутренних и наружных насадок. Эти конструкции Switchblade распределяют гидравлическую энергию более эффективно для улучшения очистки и охлаждения долота и для повышения механической скорости бурения. Гибридные долота сочетают технологии синтетических поликристаллических алмазов и природных алмазов. Отдельные карбид-вольфрамовые режущие элементы с импрегнированными алмазами размещают за основными резцами с синтетическими поликристаллическими алмазами. Каждый импрегнированный резец совместно с резцом с синтетическими поликристаллическими алмазами воспринимает нагрузку на сильно изнашиваемых участках долота. Эти вторичные резцы защищают резцы с синтетическими поликристаллическими алмазами в сложных буровых условиях и снижают износ в твердых абразивных породах (рис.81). Гибридные конструкции улучшают стабильность

Рис.81 Гибридные режущие элементы

долота, предотвращая от слишком глубокого резания, что сводит к минимуму боковые и крутильные вибрации от завихрения и прихвата-скольжения. Резцы с импрегнированными алмазами также принимают на себя большую часть ударной нагрузки от обратного вращения долота, связанного с завихрением. Направленные вверх и вниз осевые вибрации, или подскоки долота, изменяют глубину резания, что приводит к значительному увеличению крутящего момента. Импрегнированные резцы ограничивают

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

164

проникновение в породу и сглаживают резкие изменения крутящего момента. Импрегнированные резцы установлены ниже, чем резцы с синтетическими поликристаллическими алмазами, поэтому при увеличении нагрузки на долото они вступают в контакт с породой и снижают влияние крутящего момента на изменение величины нагрузки на долото, что является очень важным фактором для наклоннонаправленного бурения. Боковые нагрузки, которые воздействуют на долото при бурении с управляемыми забойными двигателями, приводят с ударному повреждению калибрующих резцов с синтетическими поликристаллическими алмазами. Для сохранения эффективного калибрующего вооружения в долотах Reed-Hycalog с синтетическими поликристаллическими алмазами используются импрегнированные штифты для дополнительной защиты калибрующего венца.

3.2 Бурильные колонны: элементы конструкции, условия работы и эксплуатации. Компоновка низа бурильных колонн. Расчет бурильных колонн.

Термины и определения ( Айзуппе Э.А,. Полячек Д.Н.)

Для бурения нефтяных и газовых скважин применяется сложный комплекс оборудования, включающий наземную и скважинную части. Наземная часть – это буровая установка, обеспечивающая все работы по углублению скважины. Другая составляющая этого комплекса, уходящего в скважину, называется бурильным инструментом. В свою очередь бурильный инструмент состоит из бурильной колонны и компоновки её низа – КНБК. Зачастую в практике бурения под термином бурильная колонна подразумевают всю компоновку, находящуюся при бурении в скважине, т. е. то, что выше было названо бурильным инструментом. Все колонны, спускаемые в скважину, как правило, состоят из секций, нумерация которых идёт снизу вверх.

Секцией называется последовательность свинченных труб одного типоразмера. Секции различаются по материалу и типоразмеру. По первому признаку трубы могут быть стальными и алюминиевыми.

Под термином «типоразмер» следует понимать любое сочетание геометрических размеров трубы, типа высадки и группы прочности её материала.

3.2.1 . Конструкция бурильной колонны

Процесс бурения представляет собой ударные и режущие воздействия долота на горную породу, в результате чего образуется горная выработка – скважина. Долото, проникающее в земные недра, связано с наземным оборудованием бурильным инструментом. Бурильный инструмент выполняет ряд важных функций: – подводит энергию к долоту для разрушения породы; – передаёт долоту крутящий момент от ротора, или энергию потока жидкости забойному двигателю от насосов, или электроэнергию электробуру через токоподвод, встроенный в бурильные трубы; – осуществляет осевую нагрузку на долото; – обеспечивает подачу на забой промывочной жидкости; – при необходимости искривляет скважину с помощью кривого переводника; – воспринимает реактивный момент от работы забойных двигателей.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

165

Схематично бурильный инструмент изображен на рис. 82.

Производство ТБТ освоено и в нашей стране. Первая секция имеет фиксированную длину

– 250 м. Выше идут трубы с номерами секций 2, 3 и т. д. Причём секция № 2 наоборот, состоит из труб со стенкой меньшей толщины: нагрузка на неё ограничена только весом УБТ и 1-й секции, поэтому прочность её нижней части всегда достаточна. По мере углубления скважины, вес нижележащей части колонны увеличивается, и когда прочность труб её составляющих станет меньше допустимой, нужно переходить к секции из более прочных труб и т. д. Такая компоновка позволяет проектировать колонны минимального веса. Однако они не практичны: если случается перепутать порядок труб в секции, вероятна авария. Поэтому односекционные конструкции более предпочтительны. Возможен и другой вариант: для разных секций применять трубы различных диаметров.

3.2.2 . Работа бурильной колонны. Условия работы бурильной колонны

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

166

Работа бурильной колонны определяется следующими факторами: – геологическими условиями; – профилем скважины; – способом бурения; – режимом бурения; – геометрическими размерами бурильных труб и долота.

При спускоподъемных операциях (СПО) к ним нужно добавить параметры буровой установки. Рассмотрим влияние перечисленных факторов на работу бурильной колонны. Геологические условия – это литологический состав проходимых пород, порядок их чередования, условия залегания (угол и направление наклона пластов), пористость и проницаемость пород, состав среды, насыщающей поры породы, труб.

Например, песчаники, содержащие абразивные частицы, вызывают ускоренное истирание поверхности труб и замков. Наклонное залегание пластов способствует искривлению скважины, что также влияет на увеличение износа труб, так как при искривлении они сильнее прижимаются к ее стенке. Важным фактором является и прочность горных пород: из-за снижения скорости бурения увеличивается время на истирание поверхности труб и замков, абразивность пород определяет величину их износа. Насыщающие породу жидкости и газы усиливают коррозию металла труб, а чем больше проницаемость пород, тем больше пластовой жидкости, вызывающей коррозию, поступает в скважину. Например, на месторождении Тенгиз из-за высокого содержания сероводорода приходится применять специальные коррозионно-стойкие трубы.

Увеличение пластового давления заставляет утяжелять промывочную жидкость, что увеличивает давление внутри труб и создает дополнительное напряжение в металле. Таким образом, геологические условия оказывают большое влияние на ресурс работы бурильных труб, и их необходимо учитывать при определении состава конструктивных элементов колонны и планировании парка труб. Профиль скважины существенно влияет на износ труб и их напряженное состояние. Связано это не только с тем, что бурильные трубы повторяют профиль скважины. Когда они изгибаются и прижимаются к стенкам скважины, в материале труб появляются напряжения изгиба, а если колонна вращается, изгибающие напряжения приобретают знакопеременный характер. Это вызывает усталость материала труб и повышает вероятность аварии. На горизонтальном участке ствола скважины условия работы труб существенно меняются.

Во-первых, труба лежит на стенке скважины и при продвижении подвергается истиранию. Во-вторых, она испытывает не растяжение, а сжатие, которое возникает при проталкивании долота к забою. Это требует изменения конструкции колонны. Способ бурения – роторный или с забойным двигателем – принципиально изменяет условия эксплуатации бурильных труб.

При роторном бурении трубы изнашиваются вследствие их вращения, в материале появляются напряжения кручения, а на искривлённых участках – знакопеременные напряжения изгиба. При турбинном бурении или при бурении любым забойным двигателем, износ труб меньше, так как они почти не вращаются, хотя из-за роста внутреннего давления несколько изменяются суммарные напряжения.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

167

Электробурение связано с наличием внутри труб токоподвода, что уменьшает сечение проходного канала. Наличие контактных соединений вызывает частые пробои изоляции и снижает надёжность работы бурильной колонны.

Режим бурения.

Под режимом бурения часто подразумевают сочетание осевой нагрузки на долото и частоты его вращения. Ограничимся этим упрощенным понятием. Поскольку нагрузка на долото создается частью веса КНБК, её изменение вызывает перераспределение осевых усилий, что приводит к изменению формы осевой линии по причине потери устойчивости. Частота вращения также влияет на изменение условий устойчивости. Это связано с появлением центробежных сил, вызывающих напряжения изгиба. При потере устойчивости боковая поверхность замков и тело трубы прижимаются к стенкам скважины, вследствие чего увеличивается интенсивность износа названных элементов. Наконец, следует отметить, что величина параметров режима бурения численно определяет напряженное состояние бурильной колонны, особенно в её нижней части.

Нагрузки, действующие на бурильный инструмент

Основной вид нагрузки на бурильную колонну – это осевая растягивающая сила от собственного веса. С увеличением массы подвешенной части колонны напряжения в верхнем сечении секций растут и могут превысить допустимые значения. На величину растягивающих усилий в колонне влияет плотность материала труб. Чем меньше плотность, тем больше может быть длина колонны. Согласно расчётам допустимая глубина подвески для одноразмерной колонны стальных труб составляет 8,5 км, а для алюминиевых – до 36 км. Разумеется, на глубину подвески влияет и прочность материала труб. Для иллюстрации приведём таблицу 2. Кроме собственного веса, колонна испытывает дополнительные растягивающие усилия во время её подъёма с включёнными насосами перед отвинчиванием ведущей трубы. Промывочная жидкость, выходя из колонны, создаёт совместно с гидравлическими сопротивлениями перепад давления, который растягивает трубы. Во время бурения эта часть нагрузки передаётся на забой и при расчётах не учитывается.

Таблица 2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

169

При бурении забойным двигателем на колонну действует реактивный момент. Непосредственно над двигателем, он равен моменту на долоте, а затем, по мере удаления от забоя, уменьшается из-за действия сил трения колонны о стенки скважины и с ростом глубины снижается до нуля.

Таким образом, при бурении ротором крутящий момент максимален у устья скважины и минимален у забоя. При бурении забойным двигателем, наоборот, – реактивный крутящий момент максимален у забоя и минимален у устья. Внутреннее давление в бурильной колонне появляется при нагнетании в неё промывочной жидкости. Его величина принимается равной давлению на стояке. Возникающие при этом напряжения должны учитываться при расчёте колонны на прочность.

Наружные сминающие давления не являются характерными для бурильной колонны. Эта ситуация может возникнуть, например, при спуске бурильной колонны с обратным клапаном без долива или при большой скорости спуска, когда жидкость не успевает войти в колонну. Большое значение для прочности колонны имеют изгибающие усилия. Они возникают по двум причинам.

Совершенно очевидно, что если скважина искривлена, то и бурильная колонна имеет близкую форму, что вызывает появление изгибающих усилий в местах искривления. В вертикальной скважине изгибающие усилия возникают от действия центробежных сил при вращении колонны ротором.

Особенно существенное влияние они оказывают на замки, являющиеся местами сосредоточения массы. На искривлённом участке скважины при вращении колонны ротором в верхней точке сечения изогнутой части трубы возникают напряжения сжатия, а на противоположной стороне – растяжения. Через пол-оборота они меняются местами, и в теле трубы возникают знакопеременные напряжения изгиба, которые наиболее опасны, так как приводят к усталостным разрушениям.

Совершенно иначе действуют усилия на колонну бурильных труб при бурении скважин с горизонтальным участком, под которым следует понимать часть ствола скважины, проходящего вдоль продуктивного пласта. Часть колонны, которая находится в вертикальном и искривлённом стволе, испытывает все виды описанных нагрузок. Однако на горизонтальном участке колонна лежит на стенке скважины и не испытывает растягивающих усилий.

Для осуществления процесса бурения нагрузка на долото и продвижение колонны к забою производится частью веса труб, находящихся вне горизонтального участка. Следовательно, на горизонтальном участке колонна испытывает сжимающие нагрузки. Потери устойчивости колонны на горизонтальном участке называется баклингом. Во время спускоподъемных операций бурильная колонна испытывает динамические усилия, вызванные инерционными силами при изменении скорости её движения.

Перечислим нагрузки, действующие на бурильный инструмент в процессе бурения:

•осевая растягивающая нагрузка от действия собственного веса труб;

•осевая сжимающая нагрузка, действующая на нижнюю часть КНБК во время бурения;