Проектирование породоразрушающего инструмента для бурения на обсадной колонне

Designing of rock destruction tool for casing drilling

G. Ishbaev, E. Kovalevskii, «BURINTEKH», Ltd, Ufa, the Russian Federation

Строительство нефтяных и газовых скважин зачастую сопряжено с такими осложнениями как нестабильность ствола, поглощения бурового раствора вплоть до полной потери циркуляции или растепление стенок скважины. Для решения подобных проблем модифицируются существующие и разрабатываются новые решения в области строительства скважин.

Construction of oil and gas wells is often associated with complications such as instability of the trunk, absorb drilling fluid until the complete loss of circulation or the heat of the walls of the well. To solve such problems modifierade existing and developed new solutions in the field of construction of wells.

Технология бурения на обсадной колонне является одним из современных способов строительства скважин, повышающих эффективность бурения в осложненных горно-геологических условиях. Использование системы приводит к сокращению спуско-подъемных операций и уменьшению времени нахождения стенок скважины в открытом состоянии [1, 2]. Это снижает риск потери устойчивости открытого ствола скважины, исключая частичное осыпание или разрушение ее стенок. Неизвлекаемая система для бурения с помощью обсадных труб является наиболее часто применяемой в мировой практике благодаря упрощенной кон­струкции КНБК, включающей обратный клапан и специальное легкоразбуриваемое долото [3, 4].
Породоразрушающий инструмент является одним из основных элементов данной системы, напрямую определяющим эффективность ее использования. Изыскание, проектирование и разработка новых типов конструкций долот такого класса являются актуальной задачей, позволяющей повысить технико-экономические показатели бурения в осложненных условиях, учитывая разнообразные условия строительства скважин.
Обзор существующих конструкций показал, что рационально применение долот для бурения на колонне обсадных труб с приварными лопастями (рис. 1). Инструмент такого типа позволяет совершить раскрытие лопастей после достижения проектной глубины, исключая нахождение металла на траектории бурения следующего интервала.
Несмотря на многообразие существующих видов долот для бурения на обсадной колонне, нет четкого методического руководства, позволяющего создавать инструмент этого класса, оптимизированный под различные условия строительства скважин.
Разработанное руководство по проектированию позволяет создавать породоразрушающий инструмент для бурения на обсадной колонне, оптимизированный под конкретные горно-геологические условия, параметры бурения, конструктивные особенности скважины и связанные с этим условия ведения работ.
Важнейшим этапом проектирования является обоснование схемы размещения вооружения долота, включающее определение профиля режущей структуры, необходимого запаса режущих элементов и схемы их размещения на рабочей поверхности [5, 6]. Оптимально подобранная режущая структура для конкретных горно-геологических и технико-технических условий обеспечивает необходимую стойкость долота в сочетании с высокой механической скоростью бурения.

Разработанное руководство по проектированию позволяет создавать породоразрушающий инструмент для бурения на обсадной колонне, оптимизированный под конкретные горно–геологические условия, параметры бурения, конструктивные особенности скважины и связанные с этим условия ведения работ.

Режущий профиль представляет собой проекцию резцов на плоскость, проведенную через ось вращения долота (рис. 2). Он состоит из внутреннего конуса, носовой части, плеча, перехода на наружный диаметр и калибрующей части.
В зависимости от условий работы выбирается длина профиля, глубина внутреннего конуса, радиус носовой части, а также количество лопастей инструмента и диаметр режущих элементов [7]. Для оценки работоспособности выбранной схемы размещения рассчитываются осевые и поперечные силы, а также крутящие моменты, действующие на каждый режущий элемент, с помощью вычислительного программного комплекса [8].
Итогом расчета будет динамический баланс в виде суммы этих сил, показанный в результирующих величинах, указывающих на прогнозируемые показатели работы долота. Изменяя входные данные, определяем режущую структуру, удовлетворяющую работе в заданных условиях.
После обоснования схемы размещения вооружения и определения нагрузок на режущие элементы, необходимо обосновать конструкцию лопастей, которые смогут воспринять рассчитанные силы. В этой связи необходимо особое внимание уделить определению напряженно-деформированного состояния (НДС) лопастей [9].
Одним из наиболее точных способов расчета конструктивных элементов, который широко используется для решения задач механики деформируемого тела сложной формы, является метод конечных элементов [10, 11,]. Строится твердотельная компьютерная модель конструкции, генерируется сетка, задаются граничные условия и прикладываются действующие в процессе бурения нагрузки. Рассчитывается НДС модели, и выявляются наиболее загруженные места (рис. 3).
Расчеты проводятся для лопастей из видов сталей, применяемых в нефтегазовой отрасли, и с различными значениями ширины для определения оптимальных значений коэффициента запаса прочности. Целью расчета является нахождение оптимальных геометрических параметров лопасти, обеспечивающих работу при рабочих эксплуатационных нагрузках с заданным запасом прочности.
Согласно технологии, конструкция породоразрушающего инструмента обсадной колонны предполагает раскрытие его лопастей при достижении проектного забоя. Для проведения стендовых испытаний используется гидравлический стенд ГАКС-И-7-14, предназначенный для определения прочности и герметичности конструкций.
Принцип работы заключается в определении давления, при подаче которого должно произойти выдавливание внутренней полости изделия, приводящее к раскрытию лопастей. Испытания проходят на отобранных после теоретического расчета образцах с подходящими геометрическими параметрами и изготовленных из соответствующих расчету сталей. В результате сравнения определяются образцы лопастей, обеспечивающих раскрытие в требуемом диапазоне значений давления.

Обзор существующих конструкций показал, что рационально применение долот для бурения на колонне обсадных труб с приварными лопастями. Инструмент такого типа позволяет совершить раскрытие лопастей после достижения проектной глубины, исключая нахождение металла на траектории бурения следующего интервала.

Технология бурения на обсадной колонне подразумевает разбуривание породоразрушающего инструмента стандартным PDC долотом, используемым для бурения следующей секции, после достижения проектной глубины и операции цементирования. Эффективность этого процесса складывается из нескольких факторов: времени разрушения внутренней части инструмента и возможности сохранить вооружение долота, осуществляющего разбуривание.
Обоснование выбора материала для изготовления центрального узла включает в себя проведение стендовых испытаний по разбуриванию образцов из различных материалов на буровом станке ЗИФ-1200 (рис. 4). Применяя различные значения осевой нагрузки и частоты вращения, оцениваются время разбуривания, характер резания, вид образующейся стружки и состояние долота, совершающего разбуривание.

Породоразрушающий инструмент является одним из основных элементов данной системы, напрямую определяющим эффективность ее использования. Изыскание, проектирование и разработка новых типов конструкций долот такого класса является актуальной задачей, позволяющей повысить технико–экономические показатели бурения в осложненных условиях, учитывая разнообразные условия строительства скважин.

Образцы изготавливаются из материалов согласно проведенному обзору: цветные металлы, композитные, керамические, полимерные материалы, цементы и малоуглеродистые стали. После проведения всех испытаний сравниваются полученные данные, на основании которых определяется материал, полностью адаптированный под разбуривание PDC долотом.
Завершающий этап проектирования – это разработка системы промывки долота, т.к. организация призабойных потоков промывочной жидкости является важным аспектом повышения эффективности очистки забоя.
На основе гидродинамических исследований было показано, что на качество очистки забоя основное влияние оказывает не расход промывочной жидкости, а способ подведения ее к забою. Это значит, что регулирование направлений и скоростей потоков промывочной жидкости позволяет повысить эффективность очистки призабойной зоны [12, 13, 14].

Одним из наиболее точных способов расчета конструктивных элементов, который широко используется для решения задач механики деформируемого тела сложной формы, является метод конечных элементов. Строится твердотельная компьютерная модель конструкции, генерируется сетка, задаются граничные условия и прикладываются действующие в процессе бурения нагрузки. Рассчитывается НДС модели, и выявляются наиболее загруженные места.

Для решения поставленной задачи целесообразно применять методы компьютерного моделирования гидравлических потоков, позволяющие точно вос­создавать скважинные условия, распределение потоков и траектории движения частичек породы.
В результате расчета определяются оптимальные параметры расположения промывочных насадок, позволяющих организовать потоки промывочной жидко­сти, максимально обеспечив эффективность очистки призабойной зоны долота обсадной колонны. Расчет показывает распределение скоростей потоков жидкости, время нахождения частичек шлама в призабойной зоне, распределение давления внутри и снаружи инструмента.

Важнейшим этапом проектирования является обоснование схемы размещения вооружения долота, включающее определение профиля режущей структуры, необходимого запаса режущих элементов и схемы их размещения на рабочей поверхности. Оптимально подобранная режущая структура для конкретных горно–геологических и технико–технических условий обеспечивает необходимую стойкость долота в сочетании с высокой механической скоростью бурения.

Таким образом, в статье показан процесс проектирования породоразрушающего инструмента режуще-скалывающего действия для бурения на обсадной колонне. Он включает в себя разработку структуры вооружения, определение геометрии лопастей с последующим обоснованием выбора разбуриваемого материала и системы промывки. Расчет элементов вооружения производится на программном обеспечении, разработанном на предприятии ООО НПП «БУРИНТЕХ». Прочностные и гидравлические расчеты производятся методом конечных элементов. Обоснование выбора разбуриваемого материала осуществляется на испытательном стенде для бурения ЗИФ-1200. Разработанное руководство позволяет проектировать долота применительно к осложненным горно-геологическим условиям месторождений Поволжья, Республики Коми и Ямало-Ненецкого автономного округа.

Литература

1. Андреев Н.Л. Технология бурения обсадными трубами интервалов многолетнемерзлых горных пород // Наука и техника в газовой промышленности. 2010. № 4. C. 6 – 11.
2 Михайличенко А.В. Инновационная технология Tesco-бурение на обсадной колонне Casing Drilling // Нефть. Газ. Новации. 2011. № 12. С. 13 – 40.
3. Кейн С.А. Современные технические средства управления траекторией наклонно-направленных скважин. Ухта: УГТУ, 2014. 119 с.
4. Ковалевский Е.А. Технология бурения нефтегазовых скважин с использованием колонны обсадных труб / Е.А. Ковалевский // Таргин «Сервисные услуги в добыче нефти»: материалы II научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: сборник тезисов докладов. Уфа: УГНТУ, 2015. C. 75 – 78.
5. Акчурин Х.И. Исследования эффективности бурения долотами непрерывного действия совершенствованием схем размещения вооружения: дис. …канд. тех. наук. Уфа, 1983. 203 с.
6. Алексеев Л.А. Энергетические принципы разработки конструкций и режима отработки породоразрушающего инструмента режуще-скалывающего действия для бурения: дис. …докт. тех. наук. Уфа, 1986. 477 с.
7. Асеева А.Е. Совершенствование технологии бурения скважин долотами режущего типа за счет применения их двухъярусной конструкции: дис. канд. тех. наук: 25.00.15 / А.Е. Асеева. Новочеркасск, 2009. 146 с.
8. Владиславлев В.С. Теория работы породоразрушающих инструментов. М.: МРГИ, 1982. 76 с.
9. Бабаев С.Г. Надежность и долговечность бурового оборудования. М.: Недра, 1974. 182 с.
10. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов. М.: Мир, 1975. 543 с.
11. Мавлютов М.Р. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.: Недра 1978. 215 с.
12. Ишбаев Г.Г. Новые системы промывки и вооружения бурового и специального инструмента режуще-скалывающего действия: дис. докт. тех. наук: 05.15.10 / Г.Г. Ишбаев. Уфа, 1997. 274 с.
13. Маковей Н. Гидравлика бурения. Производственное издание. Перевод с румынского. М.: Недра, 1986. 536 с.
14 Осипов П.Ф. Гидравлические и гидродинамические расчеты при бурении скважин. Ухта: УГТУ, 2004. 71 с.

References

1. Andreev N.L. The technology of drilling with casing of permafrost rocks intervals // Science and equipment in gas industry. 2010. No. 4. Pp. 6 – 11.
2. Mikhailichenko A.V. Innovative technology Tesco is the drilling in the casing drilling Casing Drilling // Oil. Gas. Innovations. 2011. No. 12. Pp. 13 – 40.
3. Keine S.A. The modern technical means of the trajectory of directional wells control. Ukhta: USTU, 2014. P. 119.
4. Kovalevskiy E.A. Technology of drilling oil and gas wells using casing / E.A. Kovalevskiy // Targin «Services in oil production»: Proceedings of II scientific-technical conference of students, graduate students and young scientists: a collection of abstracts. Ufa: UGNTU, 2015. Pp. 75 – 78.
5. Akchurin Ch.I. Research of efficiency of drilling bits, continuous improvement of schemes of placement of weapons: the thesis. Candidate of technical sciences dissertation: Ufa, 1983. P. 203.
6. Alekseev L.A. Energy principles for the design of structures and mode testing of rock cutting tool cutting-chipping action for drilling. Doctor of technical sciences dissertation: Ufa, 1986. P. 477.
7. Aseeva A.E. Perfection of technology drilling-chisel cutting type through the use of their bunk design Candidate of technical sciences dissertation: 25.00.15 / A.E. Aseeva. Novocherkassk, 2009. P. 146.
8. Vladislavlev V.S. Theory of operation rock-destructive tools. M.: MRGI, 1982. P. 76.
9. Babaev S.G. The reliability and durability of drilling equipment. M.: Nedra, 1974. P. 182.
10. Zenkevich O.C. The finite element method. M.: Mir, 1975. P. 543.
11. Mavlyutov M.R. Destruction of rocks during drilling. M.: Nedra 1978. P. 215.
12. Ishbaev G.G. New system of washing and drilling and special tools cutting-chipping action: Doctor of technical sciences dissertation: 05.15.10 / G.G. Ishbaev. Ufa, 1997. P. 274.
13. Macovei N. Hydraulics of drilling. The production edition. Translation from Romanian. M.: Nedra, 1986. P. 536.
14. Osipov P.F. Hydraulic and hydrodynamic calculations during drilling. Ukhta: USTU, 2004. P. 71.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Ишбаев Г.Г.

    Ишбаев Г.Г.

    д.т.н., профессор, генеральный директор

    ООО НПП «БУРИНТЕХ»

    Ковалевский Е.А.

    Ковалевский Е.А.

    инженер-конструктор отдела породоразрушающего инструмента

    Центр разработки бурового инструмента ООО НПП «БУРИНТЕХ»

    Просмотров статьи: 2394

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru