Учитывая, что при этих условиях вся БК, за исключением ее верхней части, находится в сжатом состоянии, необходимо кроме общепринятого расчета колонны на растяжение и кручение выполнять расчеты БК на продольную устойчивость при сжатии.
Наиболее опасным следствием действия сжимающих нагрузок является локальная потеря БК продольной устойчивости, которая происходит сначала в форме плоской синусоиды, переходящей по мере увеличения нагрузки к виду пространственной спирали, – так называемый «баклинг», соответственно, I или II рода. При бурении с вращением БК «баклинг» проявляется также в формах колеблющейся плоской синусоидальной или пространственной спиральной змейки, планетарно обкатывающейся вокруг оси скважины при действии сочетания нагрузок: сжимающих продольных и центробежных поперечных.
Превышение сжимающих усилий сверх критических нагрузок «баклинга» сопровождается прогрессирующим ростом прижимающих усилий в контакте «БК – стенки скважины», что может привести к «зависанию» и заклинке колонны.
При бурении ГС для борьбы с «баклингом» сжатой части БК, согласно рекомендациям [1], используются следующие методы:
- применение более жестких компоновок БК, включающих трубы толстостенные, с увеличенным наружным диаметром, со спиральным оребрением наружной поверхности, а также оснащенные протекторами в центре трубы;
- снижение веса БК на горизонтальном участке;
- снижение сопротивлений при перемещении БК путем улучшения очистки ГС, включением в компоновку специальных устройств типа «гидроклин» и применением увеличенных частот вращения труб (более 120 об/мин);
- ограничением режимов бурения в режиме «слайдинга», т.е. без вращения БК, применяя при необходимости корректировки траектории ствола роторные управляемые системы (РУС).
Таким образом, оценка эффективности замены стальных бурильных труб (СБТ) на легкосплавные бурильные трубы повышенной надежности (ЛБТПН), в том числе оценка возможности увеличения при этом осевой нагрузки на долото и протяженности ГС, в конечном счете, зависит от соотношения весовых параметров и критических сил «баклинга» для сопоставляемых труб и условий бурения.
Решение вышеупомянутых проблем во многих случаях может быть достигнуто при использовании легкосплавных бурильных труб из алюминиевых сплавов с наружным винтовым спиральным оребрением (ЛБТПН-С), что связано со специфическими физико-механическими свойствами алюминиевых сплавов, обеспечивших их широкое применение. К таким свойствам относятся небольшой удельный вес, высокая плавучесть в буровом растворе, удельная прочность, более высокая, по сравнению с СБТ, гибкость, облегчающая вписываемость труб в сильно искривленные участки ствола и т.д.
В настоящее время ООО «Акватик – Бурильные трубы» и ООО «Бурильные трубы» завершили разработку и изготовили опытную партию легкосплавных спиральных бурильных труб ЛБТПН-103х11С из высокопрочного алюминиевого сплава 1953Т1, включение которых в компоновку БК при бурении ГС диаметром 139,7 – 155,6 мм позволит, в сравнении с применяемыми СБТ аналогичного назначения, обеспечить:
- повышенную продольную устойчивость БК за счет увеличения изгибной жесткости оребренных бурильных труб;
- снизить приложенные к БК силы и моменты сопротивления за счет кратного уменьшения веса алюминиевых труб в буровом растворе;
- снизить вероятность возникновения прихватов инструмента за счет уменьшения площади контакта БК со стенками ГС скважины;
- улучшить очистку горизонтальной части ствола скважины от выбуренной горной породы за счет более эффективного удаления отложений шлама в зоне «лежачей» стенки скважины вращающимся спиральным оребрением.
ЛБТПН-103х11С (рис. 1) состоит из алюминиевой трубы (поз. 1) с навинченными элементами стального замка – муфтой (поз. 2) и ниппелем (поз. 3), по желанию заказчика может быть изготовлена из алюминиевых сплавов Д16Т или 1953Т1.
Рис. 1. Легкосплавная спиральная бурильная труба ЛБТПН-103х11С
Табл. 1. Предельные значения силовых факторов для ЛБТПН 103х11С и ЛБТПН 103х11П
При совместном действии растягивающей нагрузки и крутящего момента, предельные значения этих силовых факторов для аналогичных труб определяются с помощью диаграмм, приведенных на рис. 2.
Рис. 2. Сравнительные диаграммы предельной комбинации крутящего момента и растяжения для алюминиевых бурильных труб ЛБТПН 103х11С и ЛБТПН 103х11(П)
Повышение продольной устойчивости БК на горизонтальном участке ствола
Теоретическими исследованиями американских ученых [2] было доказано, что продольная устойчивость БК может быть охарактеризована критическими сжимающими усилиями Rsin или Rhel, превышение которых создает условия для возникновения синусоидального или спирального «баклинга», соответственно. При этом показано, что критические силы «баклинга» на прямолинейных участках ствола существенно ниже, чем на интервалах искривления, поэтому для оценки продольной устойчивости БК достаточно, как правило, определить критические силы на прямолинейных участках ствола.Было также установлено, что квадраты критических сил «баклинга» прямо зависят от синуса зенитного угла наклона прямолинейного участка ствола, жесткости и погонного веса труб в жидкости, но обратно пропорциональны радиальному зазору между БК и стенкой скважины.
Именно такая модель «баклинга» лежит в основе практически всех известных компьютерных программ расчетов напряженно-деформированного состояния и продольной устойчивости БК (Maurer, Landmark, Pegas и т.п.). Основным недостатком этих моделей является, на наш взгляд, то, что ими практически никак не учитывается влияние на результаты расчета критических сил «баклинга» длины и конфигурации наружной поверхности бурильной трубы, геометрии замков и фактической формы радиального зазора между трубой и стволом скважины. В то же время, как показывает практика бурения, снижение расстояния между замками или наличие на трубе протекторного утолщения, а тем более спирального оребрения заметно увеличивает фактическую продольную устойчивость трубы.
Теоретическими исследованиями последних лет, выполненными компанией «Weatherford» [3, 4], было, в частности, установлено, что уменьшение рабочей длины трубы в 1,5 раза приводит к повышению ее продольной устойчивости, не менее чем на 25%, а введение протектора (оребрения) еще больше повышает продольную устойчивость ЛБТПН, которая по этому показателю может даже превосходить СБТ близких типоразмеров.
Результаты этих исследований и учет фактической конфигурации радиального зазора путем введения так называемого эквивалентного радиального зазора были реализованы в разработанной ООО «Акватик–БТ» специализированной компьютерной программе 3-DDTH (Drilling-Drag-Torque-Hudraulic), с помощью которой выполняются проектные и проверочные расчеты напряженно-деформированного состояния БК и потерь давления в циркуляционной системе скважины (ЦСС) с использованием банка данных как новых бурильных труб, так и с учетом их фактического износа.
Сравнение расчетов БК по программам Landmark и 3-DDTH показывает высокую степень совпадения результатов по расчетам технических параметров, не связанных с «баклингом», например, подъем и спуск инструмента и бурение вертикальных и слабонаклонных участков скважин. Более полный учет программой 3-DDTH условий, вызывающих «баклинг», позволяет точнее оценивать возможности применения тех или иных компоновок бурильных труб, а также режимов бурения для проводки ГС малых диаметров. Для расчетов и подбора рациональных компоновок БК с включением ЛБТПН компьютерная программа 3-DDTH является наиболее адаптированной.
Табл. 2. Критические нагрузки синусоидального и спирального «баклинга»
Для сравнения в той же табл. 2 представлены результаты расчета критических усилий «баклинга» применительно к СБТ, которые используются в аналогичных геолого-технологических условиях бурения: ТБПН 73х9,2 длиной 12 м с замком ЗП-105/54 и ТБПВ 89х9,4 длиной 12 м с замком ЗП-108/44.
Из приведенных в табл. 2 данных следует, что гладкие ЛБТПН-103х11 могут потерять продольную устойчивость при меньших значениях критических сжимающих нагрузок, чем СБТ близких типоразмеров. Однако введение протектора в середине алюминиевой трубы, а тем более оребрение наружной поверхности трубы заметно повышает ее продольную устойчивость.
Приведенные расчеты показывают, что укороченные спиральные алюминиевые бурильные трубы ЛБТПН-103х11С оказываются не менее устойчивыми к «баклингу», чем стальные ТБПВ - 89х9,4.
Несмотря на то что количественные значения критических сил «баклинга» для рассматриваемых бурильных труб при других технологических условиях применения (вращение БК, плотность бурового раствора, диаметр долота и т.п.) будут изменяться, но качественные соотношения между ними останутся неизменными.
Снижение сил сопротивления при бурении ГС
Эффективность применения легкосплавных бурильных труб со спиральным оребрением наружной поверхности по сравнению со стальными трубами заключается не только в увеличении продольной устойчивости, но и в снижении сопротивлений при перемещении и вращении БК в ГС, что позволяет довести до бурового долота более высокую осевую нагрузку и при необходимости увеличить протяженность ствола.В общепринятых методиках и компьютерных программах по расчету напряженно-деформированного состояния БК для моделирования сопротивлений перемещению и вращению БК используется «кулоновское» представление и, соответственно, динамический коэффициент трения (ДКТ) принимается постоянным и определяется, как правило, в лабораторных условиях при оценке смазывающих свойств бурового раствора.
В реальных условиях причин, вызывающих сопротивление БК, значительно больше и они разнообразнее. Поэтому вместо ДКТ [1] рекомендуется ввести так называемый коэффициент сопротивления среды f, который в той или иной мере должен максимально полно учитывать условия бурения и СПО, в том числе:
- истинную геометрию ствола, наличие уступов, желобов на «лежачей» стенке, каверн, спиральность, извилистость и отклонение сечения ствола от цилиндричности;
- влияние на жесткость БК длины БТ, размеров замков, износа труб, центровки БК в стволе;
- зашламованность ствола, в том числе толщину слоя шлама, его шероховатость, содержание песка;
- свойства фильтрационной корки и возможность дифференциального прихвата БТ.
В частности, установлено, что одним из главных факторов, определяющих сопротивления в скважине, является радиальный зазор между стенками ствола и перемещающейся в нем колонной труб. По этой причине f при спуске обсадных колонн (ОК) намного выше, чем при работе БК. Например, если при бурении его величина принимается равной 0,25 – 0,30 то при спуске ОК в ту же скважину f = 0,5 – 0,6.
То же относится и к выбору расчетного значения f в зависимости от радиального зазора в стволе. Например, при бурении ГС малых диаметров расчетная величина может составлять f = 0,4 – 0,5.
Эффект дифференциального прихвата, в случае его возникновения, рекомендуется рассматривать как одну из форм статического трения.
При бурении ГС протяженностью ствола L максимальная осевая нагрузка, которую можно без потери продольной устойчивости БК в форме синусоиды довести до долота G в режиме «слайдинга», т. е. без вращения БК, может быть определена по формуле (1):
G ≤ Rsin – L ƒ w, (1)
где:
ƒ – коэффициент сопротивления (трения) перемещению БК в ГС;
w – вес 1 погонного метра бурильных труб в буровом растворе с плотностью 1200 кг/м3, Н/м.
На рис. 3 в качестве примера приведены рассчитанные по исходным данным табл. 2 с помощью формулы (1) сравнительные зависимости максимальной осевой нагрузки G, которую можно без потери БК продольной устойчивости довести до долота ∅152,4 мм, от длины ГС при бурении в режиме «слайдинга» с использованием труб ЛБТПН-103х11П, ЛБТПН-103х11С, ТБПВ 89х9,4 или ТБПН 73х9,2.
Рис. 3. Графики осевой нагрузки, которую можно довести до бурового долота ∅152,4 мм по горизонтальному участку БК, составленному из ТБПН 73х9,2; ТБПВ 88,9х9,4; ЛБТПН 103х11П или ЛБТПН 103х11С
- 240 м, при БК из стальных труб ТБПН-73х9,2;
- 665 м, при БК из стальных труб ТБПВ-88,9х9,4;
- 1050 м, при БК, составленной из ЛБТПН-103х11П;
- 1250 м, при БК из ЛБТПН-103х11С.
Условия эффективной очистки ГС от выбуренной породы
Согласно современным представлениям, ключевыми факторами эффективной очистки ГС от шлама являются частота вращения БК, расход и реологические параметры бурового раствора.Установлено [1], что оптимальная частота в наибольшей степени зависит от параметра P-HAR (Pipe-Hole-Area-Ratio), равного отношению площадей сечений ствола скважины и бурильных труб:
P-HAR = (Dh/Dp),2 (2)
где: Dh, Dp – соответственно, диаметры ствола скважины и бурильных труб. Оптимальную частоту Nопт вращения БК при бурении ГС рекомендуется выбирать в зависимости от параметра P-HAR по правилу:
если P-HAR > 6,5, то Nопт ≥ 180 об/мин;
если 3,25 < P-HAR < 6,5, то 120 об/мин ≤ Nопт ≤ 180 об/мин;
если P-HAR < 3,25, то 90 об/мин ≤ Nопт ≤ 120 об/мин.
При работе БК, составленной из ЛБТПН-103х11С в стволе, пробуренном долотом ∅152,0 мм, параметр P-HAR = 1,73 и, следовательно, для нормальной очистки ГС требуется частота вращения инструмента в диапазоне Nопт = 90 – 120 об/мин.
Рис. 4. Расчетный профиль типовой скважины с горизонтальным окончанием
При этом рекомендовано поддерживать среднюю скорость бурового раствора в затрубном пространстве не менее 0,75 м/сек, в идеале – 1 м/сек. При скоростях ниже 0,5 м/сек. невозможно обеспечить удовлетворительный вынос шлама из затрубья. Частота вращения БК выбирается согласно вышеупомянутым рекомендациям в зависимости от параметра P-HAR.
Очевидно, что ЛБТПН-103х11С тоже является турбулизатором бурового раствора. При разработке этих труб вопросы о влиянии расхода бурового раствора, частоты вращения, а также геометрии винтового оребрения на процесс выноса шлама при бурении ГС были предварительно исследованы в экспериментах на специальном стенде, выполненном в Уфимском нефтяном университете по заданию компании «Акватик».
Полученные результаты экспериментов позволили получить качественный характер влияния основных режимно-технологических факторов промывки и конструктивного исполнения оребрения на эффективность очистки ГС скважины с применением спиральных бурильных труб по сравнению с гладкими, которые легли в основу разработки ЛБТПН-103х11С.
Для оценки общей эффективности применения ЛБТПН-103х11С в составе БК в качестве примера ниже рассмотрены данные сравнительных расчетов напряженно-деформированного состояния БК при бурении долотом PDC-152,4 мм нижнего интервала бокового ствола ГС из-под башмака эксплуатационной колонны ∅177,8 мм, спущенной на глубину 3140 м в типовой скважине Приобского месторождения. Развертка профиля представлена на рис. 4, длина ствола – 3916 м; глубина скважины по вертикали – 2783 м, длина ГС – 776 м.
Расчеты выполнены с помощью специализированной компьютерной программы 3-DDTН.
Для расчетов напряженно-деформированного состояния БК и гидравлических потерь в ЦСС принимались следующие основные параметры режима бурения:
- Методы бурения:
- комбинированный (с приводом от забойного двигателя – ЗД – при одновременном вращении БК с частотой 60 об/мин.) – на участках стабилизации профиля;
- слайдинг (с приводом от ЗД без вращения БК) – на участках набора кривизны и коррекции профиля.
- Нагрузка на долото для всех режимов бурения – 5,0 т.
- Момент сопротивления на долоте на всех режимах – 1,0 кН*м.
- Площадь гидромониторных насадок долота – 2,5 см2 (5х7,14 + 1х7,94).
- Подача бурового раствора – 16,7 л/сек.
- Плотность бурового раствора – 1200 кг/м3.
- Тип бурового раствора – полимерный раствор типа СПС.
- Перепад давлений на ЗД ДРУ-127- 4,0 Мпа.
- Скорость проведения СПО без вращения БК – 15 м/мин.
- Коэффициент сопротивления в парах трения:
- «сталь – сталь», «сталь – алюминий» – 0,30;
- «порода – алюминий», «порода – сталь» – 0,40.
- Распределение расчетной температуры по стволу:
- на устье скважины – 10 °С;
- на глубине 2800 по вертикали – 103 °С.
- Вариант S – стальная компоновка, включающая секцию ТБПВ 89х9,35-«М» длиной 1000 м + Ясс в комплекте с УБТ-120,6 мм общей длиной 230 м + секцию ТБПВ 89х9,35 – остальное.
- Вариант А – легкосплавная компоновка, включающая секцию ЛБТПН-103х11С длиной 1000 м + Ясс в комплекте с УБТ-120,6 мм общей длиной 230 м + секцию ЛБТПН-103х11П – остальное.
Основные результаты сравнительных расчетов приведены в табл. 3.
Как следует из табл. 3, использование легкосплавных бурильных труб ЛБТПН-103х11С на горизонтальном участке ствола и ЛБТПН-103х11П в верхней части скважины по варианту компоновки А, в сравнении со стальной компоновкой по варианту S, обеспечивает при увеличении запаса прочности снижение основных параметров напряженно-деформированного состояния БК, в том числе:
- веса инструмента в буровом растворе – в 1,7 раза;
- усилия на подъем с проектной отметки – в 1,8 раза;
- крутящего момента на приводе вращения БК – в 1,3 раза;
- гидравлических потерь в ЦС скважины – в 1,6 раза.
Таким образом, использование БК, включающих оребренные легкосплавные бурильные трубы, при бурении горизонтальных скважин и боковых отводов малого диаметра имеет ряд технико-технологических преимуществ в сравнении с колоннами из СБТ, что позволяет реализовывать проекты на бурение таких скважин с меньшими материальными и трудовыми затратами.
