Мифы и реальность.

Об управляемости долот

Myths and reality.
Concepts of bit steerability

D. GUMICH,
G. KONYSBEKULY,
S. ZABUGA,
R. SHARAFUTDINOV,
I. RYABOV,
Schlumberger

Управляемость автомобиля – важная характеристика, с которой сталкивался любой, кто хотя бы раз садился за руль. Одни машины управляются легче, имеют отзывчивый и информативный руль, другие – кренятся или входят в поворот «как бревно». Для того чтобы добиться хорошей управляемости, автопроизводители используют моделирование, а также большое количество конструктивных особенностей и механизмов. Так и в бурении, только вместо «водителей» выступают инженеры по наклонно-направленному бурению (ННБ), а в качестве «машины» – компоновка низа бурильной колонны (КНБК), важную роль в которой занимает породоразрущающий инструмент. И здесь без моделирования и конструктивных особенностей невозможно добиться высокого уровня управляемости долот. Рассмотрим, какие параметры породоразрушающего инструмента влияют на управляемость, как их можно изменять и как выбрать управляемое долото.

Car steerability is a very important characteristic. Everyone feels it every time when takes the wheel. Some cars have informative and responsive steering wheel and they are driven more easily. Other cars aren’t steered, and it feels like a ride on a timber. The manufacturers use numbers of different features, mechanisms and modeling to make a steerable car. Now look at the drilling process. There are also “drivers” – directional drilling engineers and “car” – bottom hole assembly (BHA) which includes the drill bit. Bit has one of the most important role for the good steerability of a BHA. Modelling and different features also help in this case. Let’s watch the influence of drill bit design properties on the steerability and how we can change them. We will find the right way for choosing the best steerable bit.

В наше время из-за особенностей разработки как новых, так и зрелых месторождений, основные профили скважин — наклонно-направленные и горизонтальные. При этом все чаще используется многозабойная конструкция («фишбон»). Для их успешного бурения необходимо, чтобы КНБК обладала достаточной управляемостью. Дадим этой характеристике определение — это способность КНБК (долото + винтовой забойный двигатель (ВЗД) / роторная управляемая система (РУС)) создавать и поддерживать расчетную интенсивность набора угла (DLS), а также реагировать в расчетном диапазоне на команды при наклонно-направленном бурении. Среди «водителей» — инженеров ННБ — есть миф, что только длина калибрующей поверхности влияет на управляемость долота. Конечно, она играет большую роль, но является не единственным параметром, а находится лишь на верхушке «айсберга характеристик», который отвечает за управляемость. Ведь даже долота с одинаковой длиной калибрующей поверхности могут вести себя по-разному: как сверхманевренный спортивный болид или как старый, перегруженный грузовик. Рассмотрим эти характеристики подробнее.
Радиус искривления скважины можно представить через контакт трех точек КНБК со стенками: 1 — контакт долота, 2 — центратор/контакт узла перекоса ВЗД, 3 — центратор (рис. 1). Видно, что чем меньше расстояние L1, тем больше способность КНБК к набору угла (выше DLS).
L1 включает в себя в том числе длину долота. Из чего же она состоит? Возьмем конструкцию любого долота, разделим ее на три части и рассмотрим их: А — режущая структура, В – калибрующая поверхность, С — присоединительная часть (рис. 2).
Режущая структура (А) состоит из конусной, носовой, плечевой частей и калибрующего резца. Одна из интересующих характеристик — это ее высота, которая определяется как расстояние между резцами в носовой части до крайнего калибрующего резца. Она зависит от выбранного профиля дизайна (рис.3). Соответственно долота одного диаметра, но разного профиля будут иметь разную длину и высоту лопастей, а следовательно, и разную управляемость.


Даже долота с одинаковой длиной калибрующей поверхности могут вести себя по-разному: как сверхманевренный спортивный болид или как старый, перегруженный грузовик.

Есть ли еще особенности профиля, влияющие на управляемость? Обратим внимание на центральную коническую часть. Угол между лопастями называется внутренним. Он тоже влияет на управляемость: при его увеличении происходит уменьшение длины конусной части, за счет этого уменьшается количество резцов, а также глубина внедрения в породу долота (рис. 4).
Это приводит к уменьшению удерживающих радиальных сил, что делает долото более отзывчивым к командам инженера ННБ. Теперь проанализируем плечевую часть долот. При разном профиле она имеет различную длину и, следовательно, различную плотность вооружения (рис. 5). Чем она меньше, тем выше удельная нагрузка на резец f (при одинаковых нагрузках F), которая позволит глубже внедриться в породу. Это значит, что долото агрессивней в радиальном направлении и позволяет добиться более высокого DLS. Но и здесь не все так просто, потому что слишком агрессивное долото создает большой реактивный момент. Он вызывает неравномерность вращения КНБК, из-за которой положение отклонителя постоянно меняется, что усложняет процесс наклонно-направленного бурения или вовсе делает его невозможным. Чтобы этого избежать, а также создать оптимальную режущую структуру, для резцов используют разные углы атаки, а также ограничители внедрения в породу (MDOC и Lo-Vibe) (рис. 6). Эти незаметные на первый взгляд особенности сильно меняют поведение долота и помогают оптимизировать его под конкретные условия месторождения.
Следующая составная часть — калибрующая поверхность (В). В зависимости от поставленных задач калибрующая поверхность имеет одну из трех модификаций — стандартную, удлиненную и укороченную. Именно этот параметр является самым известным в мире бурения и действительно влияет на управляемость долота. Но мало кто знает, что кроме длины есть еще одна важная характеристика: тип профиля калибрующей поверхности. В зависимости от геологических особенностей месторождения, типов КНБК, способов бурения (ВЗД, РУС), а также поставленной задачи (увеличить, сбросить или удержать угол) используют конический, прямой или комбинированные профили (рис. 7).
Осталась последняя – присоединительная часть (С). В компании Smith Bits, а Schlumberger company она делается максимально короткой и ее длина зависит только от диаметра породоразрушающего инструмента.

Очевидно, что управляемость долота — это не просто «длина гейджа», а множество конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента. Как же все учесть и подобрать наилучшее долото? В ХХI веке невозможно представить человечество без компьютеров. Они вошли в нашу повседневную жизнь, но настоящую революцию произвели в конструировании. Сейчас нет необходимости создавать реальный объект и то, что раньше занимало значительное количество средств, сил и времени, возможно сделать за считанные часы. Третий закон Кларка гласит: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии». Компания «Шлюмберже» понимает это как никто другой. И там, где другие производители подбирают долота «на глаз»— Smith Bits опирается на инновационный, научный подход. IDEAS — Integrated Dynamic Engineering Analysis System — является уникальной инженерно-аналитической платформой, которая позволяет моделировать процесс бурения, учитывая параметры бурения, дизайн долот и КНБК, а также геологию. Это дает возможность спрогнозировать и сравнить такие показатели, как стабильность и управляемость долот, их износ и скорость проходки. Благодаря этому мы можем создавать и подбирать долота, которые отвечают конкретным требованиям заказчика. Применение IDEAS — это настоящий фундамент нашей «магии». Вот, например, результат моделирования двух долот с одинаковым дизайном режущей структуры. Единственное отличие между ними – различные профили калибрующей поверхности, но их длина при этом одинакова. Можно заметить, что разница по интенсивности набора угла составляет 25% (5 и 4 градусов — рис. 8)! Отличный пример опровержения мифа о том, что нужно смотреть только на длину калибрующей поверхности. Теперь рассмотрим реальные случаи, когда управляемость играла решающую роль при выборе долота.

На одном из месторождений Тимано-Печорского региона существует высокий риск прихвата бурильной колонны в Тиманском и Саргаевском горизонтах (состоят из мягкого аргиллита и алевролита). Кроме этого, несмотря на небольшую протяженность, здесь происходит значительный набор угла эксплуатационной секции, что повышает DLS.

Была достигнута заданная интенсивность и, кроме того, не возникло никаких проблем при геонавигации, что позволило поставить рекорд — пробурить пять горизонтальных окончаний всего за один рейс.

Учитывая данные факты, для бурения интервала используется РУС, а для долота главным критерием является управляемость. Для бурения двух скважин были использованы идентичные КНБК, но на первой скважине было спущено долото Smith Bits, подобранное с помощью программного комплекса IDEAS, а на второй — долото другого производителя. Давайте сравним полученные результаты. В ходе отработки долота Smith Bits не возникло никаких проблем с управляемостью — мы видим равномерный рост зенитного угла с 54 до 69 градусов, который был достигнут на интервале длиной всего 180 метров (до глубины 4350 метра). При этом DLS имеет расчетные значения 2 – 3 градуса на 30 метров (рис. 9).
Посмотрим на график бурения долотом другого производителя. Сразу заметно, что DLS в 1,5 – 2 раза ниже на большей части интервала (рис. 10). При этом за 110 метров зенитный угол вырос только на 4 градуса (с 51 до 55). Как следствие — отклонение от траектории и незапланированный подъем для смены КНБК. Казалось бы, управляемость долота — незаметный фактор, но в итоге он привел к увеличению сроков строительства скважины на несколько суток.
Другой пример — бурение многозабойных скважин. Технология «фишбон» позволяет эффективно разрабатывать месторождения и пласты, которые до ее появления не считались рентабельными. При бурении скважин такой конструкции также необходимо, чтобы КНБК обладала достаточной маневренностью, потому что продуктивный пласт может иметь толщину всего несколько метров. Поэтому одним из главных критериев для подбора долота является управляемость. С таким случаем столкнулись еще на одном месторождении Тимано-Печорского региона. Заказчик обратился к нам после проблем с траекторией на первой скважине. На ней использовалась КНБК с роторно-управляемой системой и долотом другого производителя, и она также не смогла набрать необходимой интенсивности. На следующей скважине была использована та же самая КНБК, но уже с долотом Smith Bits — MDSI711 (рис. 11), которое спроектировано с применением комплекса IDEAS специально для работы с РУС.
Отличия инженеры ННБ заметили с первых же минут— КНБК вела себя стабильно и показывала отличную управляемость. Была достигнута заданная интенсивность и, кроме того, не возникло никаких проблем при геонавигации, что позволило поставить рекорд — пробурить пять горизонтальных окончаний всего за один рейс (рис. 12).
Несомненно, хорошо управляемое долото — это не только минимальная длина калибрующей поверхности, но и множество особенностей, которые порой не заметны на глаз. Учесть все это и подобрать наиболее подходящий инструмент — задача не из легких.
Но передовые технологии и высококвалифицированные инженеры позволяют компании «Шлюмберже» справляться и с такими трудностями.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Гумич Д.П.

    Гумич Д.П.

    инженер отдела проектирования подразделения породоразрушающего инструмента и бурового оборудования

    Шлюмберже

    Конысбекулы Г.

    Конысбекулы Г.

    ведущий инженер по буровому сервису

    Забуга С.В.

    Забуга С.В.

    координатор подразделения

    Шлюмберже (Schlumberger)

    Шарафутдинов Р.А.

    Шарафутдинов Р.А.

    специалист по работе с клиентами

    Шлюмберже

    Рябов И.В.

    Рябов И.В.

    инженер технической поддержки

    Шлюмберже

    Просмотров статьи: 255

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru