Эффективность применения алюминиевых бурильных труб при бурении скважин на нефть и газ

Use efficiency of aluminium drill pipes during oil & gas wells’ drilling

V. SAPUNZHI, Drill Pipes Ltd

Общество с ограниченной ответственностью «Бурильные трубы» является ведущим производителем труб из высокопрочных и сверхлегких алюминиевых сплавов, задачей которого являются разработка, производство и поставка продукции для бурения, строительства, ремонта и эксплуатации скважин на нефть и газ.

Drill Pipes Ltd. is leading manufacturer of pipes made of high-strength & super-light aluminum alloys for drilling, construction, repair & exploitation of oil & gas wells.

ООО «Бурильные трубы» является 100%-ным дочерним предприятием ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» – крупнейшим в России производителем полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавов, создано в 2007 г. на базе трубопрессового цеха для ускорения развития бизнеса, концентрации усилий по повышению качества продукции, расширения номенклатуры поставляемой продукции и услуг для предприятий нефтегазового комплекса.

В настоящее время предприятие успешно производит стандартные, ранее освоенные, бурильные трубы (ЛБТ) в соответствии с ГОСТ 23786-79 (ISO 5226-85), хорошо работающие при бурении турбинным способом, без вращения буровой колонны. Также создана и освоена технология производства труб повышенной надежности в соответствии с международным стандартом ISO 15546 с присоединительной трапецеидальной трубной резьбой, собранных со стальными замками на установках температурной (горячим способом) и холодной (с применением эпоксидных смесей) сборок (по желанию заказчика – ЛБТВК). Такая конструкция труб позволяет производить бурение скважин комбинированным и роторным способом, с приложением значительных крутящих моментов.

На сегодня завершены работы по организации совместной деятельности ООО «Бурильные трубы» с инжиниринговой компанией ООО «Акватик-Бурильные трубы», что позволяет обеспечить не только производство алюминиевых бурильных труб, но и даст возможность выполнять исследовательские и проектные работы по созданию новых видов продукции и их инженерное сопровождение при эксплуатации.
При бурении глубоких, сверхглубоких скважин, скважин с большим отклонением от вертикали и, особенно, горизонтальных скважин чрезвычайно важно обеспечить высокую эксплуатационную надежность бурильной колонны (БК), снизить ее напряженно-деформированное состояние и обеспечить безаварийную работу в условиях экстремальных нагрузок и высоких температур. Компоновка и вес БК существенным образом влияют на технико-экономические показатели проводки скважин, формирование сил сопротивления и определяют уровень нагрузок на элементы буровой установки.

Одним из наиболее перспективных путей решения этих проблем является использование ЛБТВК, изготовленных из специальных алюминиевых сплавов, которые обладают рядом ценных физико-механических свойств, выгодно отличающих их от сталей – основного материала для изготовления бурильных труб. К основным из этих свойств следует отнести:
  • низкий удельный вес;
  • высокое облегчение в растворах различной плотности;
  • высокую удельную прочность;
  • пониженное значение модулей продольной упругости и сдвига;
  • виброгасящие свойства;
  • коррозионную стойкость в агрессивной среде и, в первую очередь,
  • в Н2S и СО2;
  • немагнитные свойства;
  • легкую разбуриваемость (разрушение долотами, фрезами).
Эти свойства алюминиевых сплавов определяют основу эффективности применения ЛБТВК в составе бурильных колонн при проводке скважин на нефть и газ.

Низкий удельный вес

Это основной параметр, определяющий вес погонного метра труб, собственный вес бурильной колонны в целом и ее напряженно-деформированное состояние.

Основными ограничениями при бурении глубоких и длинных скважин являются растягивающие нагрузки при подъеме бурильной колонны с забоя скважины и крутящий момент на ее вращение при бурении. Растягивающие нагрузки формируются собственным весом бурильной колонны и силами сопротивления на ее перемещение (трения). Крутящий момент на вращение колонны формируется только силами сопротивления (трения). Указанные параметры напрямую зависят от удельного веса материала труб, который определяет собственный вес бурильной колонны. Силы сопротивления (трения) также зависят от собственного веса колонны, который формирует прижимающие усилия к стенке скважины и совместно с коэффициентом трения определяют силы трения.

С учетом веса стального замка ЛБТВК на воздухе почти в 2,5 раза легче стальной трубы аналогичного типоразмера при снижении прочностных свойств в 1,5 – 1,8 раза. Эта разница и определяет более низкие значения напряженного состояния бурильной колонны при применении в ее компоновке ЛБТВК.

В качестве примера можно привести расчетные значения режимных параметров при бурении глубокой скважины на отметке 8000 м при применении стальной и комбинированной, с включением ЛБТВК, колонн. На проектной отметке крутящий момент на вращение колонны с частотой 80 об/мин. при стальной колонне составил 23,2, а для алюминиевой – 12,2 кНм. При этом усилие на крюке при подъеме с забоя при стальной колонне составило 2605, а при алюминиевой – 1104 кН, т.?е. основные показатели нагружения при алюминиевой колонне почти в два раза ниже.

Часто бытует ошибочное мнение, что, учитывая более высокие прочностные свойства стальных труб, при ликвидации прихватов силовым методом мы сможем большую нагрузку растяжения и крутящий момент довести до прихваченного сечения. Однако это не совсем так. Как было показано выше, основной лимит прочности труб уходит на нагрузки, формируемые собственным весом колонны и силами сопротивления. Кроме того, при прихвате бурильную колонну можно рассматривать как защемленную балку и при этом прирост сил сопротивления, также зависящий от собственного веса, будет значительно выше. Расчеты показывают, что до глубин (длин) 3000 – 3500 м действительно есть преимущества у стальной колонны при доведении растягивающей нагрузки и момента до прихваченного сечения, а при больших глубинах (длинах) это преимущество уже переходит к колонне из ЛБТВК.

Облегчение в буровом растворе

Как показано выше, основной эффект применения ЛБТВК связан с низким значением удельного веса алюминиевых сплавов, который определяет весовые значения бурильной колонны. Показатель значения собственного веса колонны значительно снижается в том числе из-за повышенной плавучести сплавов (выталкивающая сила), которая определяется отношением плотности бурового раствора к приведенной плотности материала труб. Так, при плотности бурового раствора 1200 кг/м3 коэффициент облегчения бурильной колонны из ЛБТВК составляет 0,56, тогда как для стальной колонны в этих же условиях – всего 0,85.

Это свойство алюминиевых сплавов позволяет значительно снизить собственный вес бурильной колонны и еще больше усилить эффект снижения напряженно-деформированного состояния БК от низкого значения удельного веса.

Высокая удельная прочность

Прочностные свойства стальных бурильных труб выше алюминиевых, но если учесть, что основной лимит прочности уходит на нагрузки, формируемые собственным весом колонны, то применение ЛБТПН становится эффективнее.

Для оценки этого было введено понятие удельной прочности, которое характеризует отношение параметра предела текучести к весу погонного метра с учетом облегчения в буровом растворе. Удельная прочность имеет размерность в единицах длины и физически характеризует длину одноразмерной бурильной колонны в буровом растворе различной плотности, при которой за счет собственного веса колонны, без учета сил сопротивления, в ее верхнем сечении напряжения растяжения достигают предела текучести.

По параметру удельной прочности колонны из алюминиевых труб почти в два раза превосходят колонны из стальных труб, что и обеспечивает возможность доведения повышенных значений растягивающих нагрузок при прихватах нижней части колонны и их ликвидации силовым методом.
Рис. 1. Профиль скважины № 806

Модули продольной упругости и сдвига

Указанные параметры физико-механических свойств материала в общем виде характеризуют его пластичность, уровень действующих напряжений и сопротивление металла действию знакопеременных изгибающих нагрузок.

Учитывая, что по этим параметрам алюминиевые сплавы имеют значения почти в три раза ниже, чем у стали, соответственно и возникающие напряжения в ЛБТВК ниже, чем в стальных трубах, а следовательно – выше параметры эксплуатации.

Это подтверждается основными формулами, характеризующими влияние значений модулей продольной упругости и сдвига на условия нагружения бурильной колонны.

Так, при вращении колонны переменная составляющая напряжений изгиба зависит от модуля продольной упругости:
где: d – диаметр труб,
– стрела прогиба
L0 – длина полуволн изогнутой оси.

Модуль продольной упругости определяет напряжения при перемещении бурильной колонны на искривленном участке скважины:
где R – радиус искривления ствола скважины.

Динамические напряжения в колонне при СПО определяются как:
где U – скорость СПО колонны, γм – удельный вес материала.

Крутильные колебания при подклинках зависят от модуля сдвига G
где ω – угловая скорость.

Принципиальным для бурения наклонных и горизонтальных участков скважин, и особенно при бурении боковых стволов, является прохождение колонной участков с резкими перегибами пространственного положения ствола с малым радиусом искривления.

Gи = dE / 2R

Rст / Rал = Eст / Eал х Gст / Gал = 2,92 х 0,66 = 1,94,

т. е. допустимый радиус искривления в стволе при применении ЛБТВК в 1,9 раза меньше, чем со стальными трубами в аналогичных технологических условиях.

Виброгасящие свойства

Известно, что продольные, крутильные и поперечные колебания, генерируемые при работе долот на забое, распространяются в виде волн по бурильной колонне (БК). При этом они могут частично передаваться на поверхность и в околоскважинную среду, частично рассеиваться, а также отражаться от различных источников отражения и возвращаться к долоту, где они складываются с прямыми (исходными) колебаниями. В общем случае cоотношение фаз прямых и отраженных колебаний может изменяться от совпадения по фазе (резонанс) до противофазы (антирезонанс).

Алюминиевые бурильные трубы в качестве элементов волновых экранов обладают рядом существенных преимуществ. Они отличаются от стальных труб повышенной демпфирующей способностью. Например, при толщине стенки 10?мм степень рассеяния энергии колебаний внутренним трением в материале труб у ЛБТВК на 20% выше, чем у стальных. Наиболее сильно демпфирующие свойства проявляются в утолщенных ЛБТ – до 50% по сравнению со стальными трубами. Это позволяет одновременно с отражением снижать чрезмерные амплитуды всех видов колебаний и устранять их негативное влияние на процесс бурения.

Коррозионная стойкость

Выполненный комплекс лабораторных и скважинных испытаний определили высокую коррозионную стойкость алюминиевых сплавов в различных агрессивных средах с различными показателями рН бурового раствора. На сегодня мы несколько расширили диапазон допустимой эксплуатации ЛБТВК при различных рН раствора. Если раньше этот диапазон составлял 6,5 – 9,0, то сейчас он расширен до значений 4,5 – 10,0. В этом диапазоне коррозионное поражение алюминиевых сплавов незначительно, и остаточная прочность основного металла не снижает общую долговечность эксплуатации труб.

Преимущественным качеством алюминиевых сплавов является полное отсутствие коррозионного поражения при эксплуатации в среде полного насыщения сероводородом и углекислым газом.

Может возникнуть вопрос: а что происходит со стальным замком, которым оснащается алюминиевая труба, в этой среде? Стальной замок в среде сероводорода и углекислого газа, конечно, подвержен коррозии, но, как показала практика применения ЛБТВК в таких условиях, стальной замок корродирует значительно меньше, чем на стальной трубе. На сегодня трудно дать обоснование такому явлению, но можно предположить, что алюминиевая труба выполняет роль анодной защиты (протектора) для стального замка, что снижает интенсивность коррозии.

Результаты коррозионных исследований алюминиевых сплавов в различных средах приведены в табл.
Табл. Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов (скорость коррозии, г/м2 в час)

Немагнитные свойства

Немагнитные свойства алюминиевых сплавов позволяют проводить все возможные виды магнитного каротажа скважин внутри бурильной колонны. Это особенно важно для контроля работы телесистем при проведении корректировки профиля ствола горизонтальных скважин.

Эти свойства позволяют использовать специальные беззамковые алюминиевые толстостенные трубы в качестве немагнитных корпусов телеметрических систем контроля забойных параметров. Замена стальных немагнитных корпусов (манелл) на алюминиевые трубы значительно сокращают затраты и повышают эксплуатационную надежность систем, особенно при проводке горизонтальных скважин.

Разбуриваемость

При ведении буровых работ приходится устанавливать цементные мосты и спускать «хвостовики» обсадных колонн на бурильных трубах. При этих операциях часто цементный раствор поднимается выше «башмака» бурильной колонны и при застывании прихватывает ее. Операция освобождения бурильной колонны от прихваченного цемента довольно неприятная, долговременная и квалифицируется как аварийная ситуация. Обычно ее ликвидируют путем разбуривания прихваченной части стальных труб специальными фрезами. При применении в нижней части бурильных колонн беззамковых алюминиевых бурильных труб при проведении операций цементирования значительно упрощает задачу, т. к. алюминиевые трубы легко разбуриваются обычным шарошечным долотом со скоростью 15 – 20 м/час.

Приведенные особенности алюминиевых сплавов и их влияние на эффективность бурового процесса при использовании ЛБТВК в компоновке бурильной колонны наглядно демонстрируются в результатах сравнительных расчетов напряженно-деформированного состояния колонн при выполнении различных технологических операций в процессе бурения скважин. Ниже приведен пример такого расчета, выполненный компанией ООО «Акватик-Бурильные трубы» с применением программного обеспечения 3 DDT при бурении скважины №806 куста 5 на Ванкорском месторождении в Восточной Сибири:

1. Исходные данные по скважине:
  • бурение долотом PDC Ф219,1 мм на отметке 3732 м, комбинированным способом;
  • расчетный профиль ствола – наклонный с горизонтальным окончанием, ОК Ф245 мм до 1965 м;
  • нагрузка на долото – 100кН, частота вращения БК- 90 об/мин., мех. скорость – 9,0 м/ч;
  • плотность раствора – 1140 кг/м3; расход раствора – 32 л/с.
2. Компоновка низа бурильной колонны (КНБК)
3. Компоновка бурильной колонны с применением стальных бурильных труб
4. Компоновка комбинированной бурильной колонны с применением ЛБТВК
5. Результаты сравнительного расчета
Рис. 2. Нагрузки при ликвидации прихвата
На рис. 2 приведена зависимость возможного доведения растягивающей нагрузки до прихваченной на забое 3732 м КНБК от нагрузки на крюке, при ликвидации прихвата силовым методом, для различных компоновок бурильной колонны.

Практика применения ЛБТВК показала, что наибольшая их эффективность проявляется при глубине вертикального ствола скважин более 3000 м и для всех длин горизонтальных скважин.
ЛБТВК следует применять при бурении скважин, в которых есть хоть одно из нижеперечисленных ограничений:
  1. Ограничение по грузоподъемности буровой установки.
  2. Необходимость снижения значений растягивающих нагрузок, крутящего момента и сложности в доведении осевой нагрузки на долото при бурении горизонтальных скважин.
  3. Потеря продольной устойчивости колонны при сжатии в процессе передачи нагрузки на долото при бурении горизонтальных участков скважин.
  4. Сложности пропуска бурильной колонны через участки с интенсивным искривлением ствола с малым радиусом.
  5. Повышенная коррозионная агрессивность раствора, и особенно при наличии в растворе сероводорода и углекислого газа.
  6. Трудность транспортировки бурильных труб на удаленные точки бурения.

Литература

  1. Файн Г.М. и др. Нефтяные трубы из легких сплавов. Недра, 1990.
  2. Басович В.С., Гельфгат М.Я., Файн Г.М. Состояние и перспективы применения изделий из алюминиевых сплавов в нефтегазодобывающей отрасли // Бурение и нефть. 2003. №4.

References

  1. G.M. Fayn et al. Oil pipes made of light alloys. “Bowels-entrails”. 1990.
  2. V.S. Basovich, M.Ya. Gelfgat, G.M. Fayn. Prospects & state of using aluminum alloys’ items in oil & gas producing industry // Drilling & oil. 2003. №4.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Сапунжи В.В.

    Сапунжи В.В.

    генеральный директор

    ООО «Бурильные трубы»

    Просмотров статьи: 9913

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru