Наиболее опасным следствием действия сжимающих нагрузок является локальная потеря БК продольной устойчивости сначала в форме плоской синусоиды, переходящей, по мере увеличения сжимающей нагрузки, к виду пространственной спирали – так называемый «баклинг». Превышение сжимающих усилий сверх критических нагрузок «баклинга» сопровождается прогрессирующим ростом прижимающих усилий в контакте «БК – стенки скважины», что приводит к подклинке инструмента в скважине. Наиболее часто «баклинг» наблюдается при бурении в режиме «слайдинга», т.е. без вращения БК при корректировке пространственного положения ствола скважины. При бурении с вращением инструмента «баклинг» проявляется также в формах колеблющейся плоской синусоидальной или пространственной змейки, планетарно обкатывающейся вокруг оси скважины.
Установлено [1], что квадрат критической нагрузки, приводящей к «баклингу» в горизонтальном стволе, прямо зависит от распределенного веса труб в буровом растворе и изгибной жесткости сечения тела трубы. Следует особо отметить, что, чем короче бурильная труба и чем меньше расстояние между замками и протектором, тем выше ее продольная устойчивость. Проведенные компанией ЗАО «Акватик» теоретические и экспериментальные исследования [2] показали, что критические силы синусоидального и спирального «баклинга» для оснащенных протектором бурильных труб длиной 9,3 и 12,2 м, соответственно, на 25 – 50% выше, чем у таких же труб, не имеющих протектора.
Одним из радикальных методов повышения эффективности бурения и увеличения протяженности горизонтальных участков скважин является применение так называемых комбинированных компоновок БК, в состав которых в нижней части колонны включены секции легкосплавных бурильных труб повышенной надежности (ЛБТПН).
К основным свойствам, отличающим алюминиевые бурильные трубы от стальных (СБТ), относятся небольшой вес, высокий коэффициент плавучести в буровом растворе, коррозионная стойкость в агрессивных средах (сероводород и углекислый газ), более высокая по сравнению с СБТ гибкость, облегчающая вписываемость труб в сильно искривленные участки ствола и т. п.
Замена на горизонтальных участках ствола СБТ на ЛБТПН, собственный вес которых в буровом растворе более чем в три раза меньше, приводит, соответственно, к снижению прижимающих нагрузок, а следовательно, сил и моментов трения, а также напряженно-деформированного состояния всей БК. Однако ограничением для алюминиевых труб могут явиться критические силы «баклинга», которые у СБТ при близких габаритных размерах выше, чем у ЛБТПН, за счет большей жесткости, т.е. эффективность замены СБТ на ЛБТПН, в том числе для увеличения длины бурения горизонтальных участков ствола, зависит, в конечном счете, от соотношения весовых параметров и критических сил «баклинга» для сопоставляемых труб.
Благодаря достигнутым высоким эксплуатационным характеристикам ЛБТПН (ЛБТВК) получили широкое распространение при бурении скважин роторным и комбинированным способами практически во всех нефтяных компаниях страны.
Для бурения горизонтальных стволов диаметром 120,6 – 132,0 мм ООО «Акватик – Бурильные трубы» разработаны и рекомендуются к применению алюминиевые бурильные трубы ЛБТПН 90х9П; а для стволов диаметром 139,7 – 152,4 мм следует использовать ЛБТПН 103х11П и ЛБТПН 103х11С. Изготовление таких труб осуществляется в ООО «Бурильные трубы» и ОАО «Серовский механический завод».
Для повышения продольной устойчивости, лучшего центрирования в горизонтальном стволе скважины, а также с целью долговременной защиты основного тела трубы от абразивного износа ЛБТПН 90х9П и ЛБТПН 103х11П снабжены протекторами, расположенными в средней части трубы.
Бурильная труба ЛБТПН 103х11С имеет сплошное спиральное оребрение наружной поверхности, что способствует не только повышению продольной устойчивости трубы, но и обеспечивает лучшее центрирование и более качественную очистку «лежачей» стенки ствола горизонтальной скважины от выбуренного шлама.
Конструкция этих труб приведена на рис. 1 и 2; а номинальные геометрические размеры, весовые параметры и основные прочностные характеристики – в табл. 1.
Рис.1. Конструкция алюминиевых бурильных труб ЛБТПН 90х9П и ЛБТПН 103х11П
Рис. 2. Конструкция алюминиевой бурильной трубы ЛБТПН 103х11С
Табл. 1
Рис. 3. Максимальная нагрузка на долото в зависимости от длины горизонтального ствола
- 120,6 мм, при БК, составленной из СБТ марки ТБВ 73х9 и ЛБТПН 90х9П;
- 152,4 мм, при БК, составленной из СБТ марки ТБПВ 89х11 и ЛБТПН 103х11П(С).
В частности, как видно из рис. 3, применение ЛБТПН позволяет увеличить протяженность стволов по сравнению с использованием для этих целей СБТ близких типоразмеров. Например, долотом 152,4 мм с помощью стальной БК, составленной из труб ТБПВ 89х11, с нагрузкой на долото 4 тн можно пробурить ствол длиной около 1150 м, тогда как алюминиевыми трубами ЛБТПН 103х11П при той же нагрузке длину ствола можно увеличить до 1580 м, т. е. увеличить в 1,37 раза. Еще больший эффект следует ожидать от спиральных алюминиевых труб ЛБТПН 103х11С, позволяющих удлинить ствол до 2400 м.
Как показывают дополнительные расчеты, аналогичные принципиальные результаты сравнения стальных и алюминиевых бурильных труб имеют место для роторного бурения, а также в растворах другой плотности и для других значений фактора трения БК.
Для оценки общей эффективности применения ЛБТПН 103х11П в составе БК в качестве примера ниже рассмотрены данные сравнительных расчетов напряженно-деформированного состояния БК при бурении долотом PDC-152,4 мм нижнего горизонтального интервала ствола из-под башмака колонны 177,8 мм, спущенной на глубину 3380 м в типовой скважине ЗСФ ООО «БКЕ».
Расчеты выполнены ООО «Акватик – Бурильные трубы» с помощью специализированной компьютерной программы 3-DDTН (Drill-Drag-Torque-Hydraulic)
При расчетах были приняты следующие исходные данные: метод бурения – турбинно-роторный; плотность бурового раствора – 1370 кг/м3; нагрузка на долото – 70 кН; частота вращения БК – 120 об/мин; производительность буровых насосов – 15 л/сек.
Стальная компоновка БК укомплектована бурильными трубами ТБПН 89х9,35-«Л» общей длиной 4088 м + 87 м КНБК, включающая долото, забойный двигатель, телесистему, УБТ, ясс. В составе комбинированной компоновки применены алюминиевые бурильные трубы ЛБТПН 103х11П из сплава Д16Т общей длиной 3800 м + 288 м ТБПН 89х9,35 + 87 м аналогичной КНБК.
Основные результаты сравнительных расчетов приведены в табл. 2.
Табл. 2. Сравнительные расчеты напряженно-деформированного состояния БК
Эффективность применения ЛБТПН 90х9П в составе БК была убедительно доказана при бурении боковых стволов в весьма сложных геологических условиях Приобского месторождения. По материалам ООО «Катобьнефть» [3], вертикальная глубина залегания продуктивных пластов на этом месторождении превышает 2700 м. Для бурения применяется СБТ в габарите 73 и 89 мм. Из-за опасности нефтегазопроявлений бурение нижних интервалов проводится на утяжеленных буровых растворах плотностью до 1600 кг/м3.
S-образный типовой профиль скважин, представленный на рис. 4, содержит по меньшей мере 2 участка с высокой интенсивностью искривления, достигающей 5 град/10 м.
Рис. 4. Типовой профиль основного ствола и бокового отвода скважин Приобского месторождения
- момент на приводе вращения БК >1100кг*м;
- суммарное усилие на подъем инструмента с учетом возникавших затяжек в 40 тн, доходит до 160 тн;
- давление на выкиде буровых насосов >18 МПа.
Установкой в нижней части БК секции ЛБТПН 90х9П из сплава 1953Т1 длиной всего 800 м, по существу, были решены главные проблемы бурения данных скважин; ситуация, по свидетельству буровиков, резко изменилась к лучшему: на 25 – 30% снизились нагрузки при подъеме БК и крутящий момент на роторе; практически исчезли затяжки, снизилось давление на выкиде буровых насосов за счет того, что проходное сечение ЛБТПН 90х9П больше, чем у СБТ.
Отсутствие затяжек при применении алюминиевых труб связано с большей гибкостью ЛБТПН по сравнению с СБТ и, следовательно, лучшей вписываемостью в сильно искривленные участки ствола. Это свойство позволило не только снизить динамические напряжения поперечного изгиба БК в условиях высоких пространственных искривлений ствола скважины, но и избежать подклинки инструмента при поступательном и вращательном движении инструмента, которые в условиях стальной БК ранее ошибочно диагностировались как затяжки, вызванные дифференциальным прихватом при тяжелом растворе.
Сравнительные расчеты напряженно-деформированного состояния стальной и комбинированной (с включением ЛБТПН) БК, выполненные по исходным данным ООО «Катобьнефть», подтвердили полученные в промысловых условиях результаты. При этом также было показано, что увеличение длины секции ЛБТПН 90х9П в составе БК могло бы привести к более существенному снижению напряженного состояния бурильной колонны.
Таким образом, использование комбинированных БК, включающих ЛБТПН, при бурении горизонтальных участков скважин и боковых стволов малого диаметра, обладая целым рядом технико-технологических преимуществ, в сравнении с колоннами из СБТ, дает возможность удлинить горизонтальные участки скважин и снизить вероятность осложнений при их проводке.
