Проектирование процесса углубления скважины


Э. В. Бабаян






ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
УГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ




Учебное пособие













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 622.24 ББК33.131
    Б12




Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. ФГБОУ ВО «МГТУ» А. Е. Нижник; канд. техн. наук, доцент кафедры нефтегазового дела имени проф. Г. Т. Вартумяна ФГБОУ ВО «КубГТУ» С. Е. Усов








       Бабаян, Э. В.
Б12 Проектирование процесса углубления скважины : учебное пособие / Э. В. Бабаян. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 252 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0432-7

      Рассмотрены современные породоразрушающие инструменты: шарошечные долота, долота с поликристаллическими алмазными резцами (PDC), алмазные, импрегнированные долота, бицентричные долота и технические средства для отбора керна. Уделено внимание выбору способа бурения и забойным двигателям. Даны алгоритмы определения компоновки бурильной колонны и ее низа, а также режимных параметров углубления скважины.
      Для студентов нефтегазовых направлений подготовки. Издание также будет полезно инженерам-буровикам при составлении проектов на строительство скважин на нефть и газ и реализации этих проектов.

                                                       УДК 622.24
                                                       ББК33.131





ISBN 978-5-9729-0432-7

     © Бабаян Э. В., 2020
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                             © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

                ПРЕДИСЛОВИЕ





       Бурение скважин с целью добычи углеводородов - это строительство сложного капитального инженерно-технического сооружения в земной коре. Задача этой книги, как одной из основных книг серии «Буровые технологии», -научить будущих инженеров-буровиков хорошо разбираться в теоретических аспектах глубокого бурения и уверенно проводить инженерные расчеты, связанные с углублением скважины.
       Великий физик современности Стивен Хокинг, рассуждая о представлении рождения и дальнейшей судьбе Вселенной, мог, конечно, позволить себе сказать, что каждая включенная в книгу формула вдвое уменьшает число покупателей. Но в свою книгу «Краткая история времени...» (1988) он все-таки включил знаменитое уравнение Эйнштейна E = m • c², чтобы объяснить нам мироздание. Безусловно, можно предложить инженерам использовать не менее знаменитую формулу Ньютона F = m • a, чтобы они сумели объяснить происходящее в земных условиях. Но. далеко не каждый сможет ею воспользоваться, чтобы выполнить инженерный расчет.
       Чтобы успешно бурить скважины, уже не достаточно опыта и общего понимания происходящих процессов. Сейчас нельзя обойтись без инженерных расчетов - без них невозможно выполнить проект строительства скважины.
       Большая часть затрат на проведение буровых работ зависит от времени, а не от стоимости продукции. Примерное соотношение затрат, зависящих от времени работы, и затрат, зависящих от стоимости ликвидных материалов, составляет 5 к 1. Поэтому время часто является самым важным фактором. От него зависят затраты, связанные с буровыми установками, транспортными средствами, инструментами и персоналом. Стоимость бурового раствора в связи с суточными расходами на обслуживание также рассматривается как стоимость в сутки, увеличивая временные ставки. Поэтому с экономической точки зрения становится оправданным использование изделий и материалов более высокой стоимости, помогающих экономить время. К таким изделиям относятся более дорогие долота, турбины забойных двигателей, роторные управляемые системы, стандартные управляемые системы и отклоняющие инструменты. Использование новых технологий может принести огромную пользу.

3

Э. В. Бабаян

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССАУГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ

      Современные буровые долота имеют совершенно другое оснащение и выполнены из значительно лучших материалов, чем те инструменты, которые применялись всего лишь несколько лет назад. Производительность буровых долот систематически повышается с годами. Объемы бурения шарошечными долотами постоянно снижаются в пользу долот PDC. Но область применения шарошечных долот все еще значительная, и не последнюю роль при выборе долот играет их относительно невысокая стоимость.
      Существенно повысилось качество изготавливаемых забойных двигателей и их постоянно увеличивающейся номенклатурный ряд. Трудно себе представить значительный объем бурения наклонных и горизонтальных скважин без применения забойных двигателей.
      Определение взаимосвязи между подачей насосов с нагрузкой, числом оборотов долота и технологическими показателями буровых растворов открывает новые возможности снижения времени на сооружение ствола скважины, обеспечивая предупреждение и ликвидацию возможных осложнений и аварий во время бурения.
      Основная цель этой книги - демонстрация современных технологий на уровне проектирования и в процессе производства буровых работ. Практически каждая операция, проводимая на скважине, может быть предварительно рассчитана по формулам и представлена в виде алгоритмов для составления компьютерных программ. Предложенные нами расчетные зависимости взяты из многочисленных отечественных и зарубежных работ и, конечно, апробированы.

4

                ГЛАВА 1




            ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ


      Буровые долота - это основные инструменты при проведении операций, связанных с бурением. Выбор наиболее подходящего долота и условий его работы - одна из основных проблем, с которыми сталкивается инженер по бурению.
      Хотя для инженеров-буровиков и важно знать механизм работы долот, эксплуатация их вызывает значительные затруднения и существенно отличается от другого оборудования и инструментов, используемых при углублении скважины. Одной из причин является то, что буровые долота предназначены для разрушения породы и срок службы их обычно составляет от нескольких до десятков часов, в отличие от оборудования, работающего десятки тысяч часов.
      Другая причина состоит в том, что буровые долота используют в условиях, недоступных для визуального наблюдения. Например, подшипник опоры новой конструкции испытывается на лабораторной испытательной установке, которая почти точно воспроизводит условия работы подшипника. Но рабочая среда, в которой находится подшипник долота, не может быть достоверно описана, не говоря уже о среде, воспроизводимой в лабораторных условиях. Поэтому сконструировать и оценить долота с помощью теоретических расчетов очень трудно. Но для технолога по бурению важно знать основные принципы конструкции долота.
      Долота для вращательного бурения классифицируются по конструкции на долота с неподвижным режущим элементом (фрезерно-лопастные) и долота с конической вращающейся шарошкой. Долота с конической шарошкой имеют режущие устройства, которые вращаются вокруг оси конической шарошки во время вращения долота на забое скважины.
      Шарошечные долота обычно используются для бурения самых разных пород: от очень мягких до самых твердых. При этом долота с фрезерованными зубьями (или стальными зубьями) обычно используются для бурения относительно мягких пород. А буровые долота со вставками из карбида вольфрама

5

Э. В. Бабаян

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ

(ТСТ - Tungsten Carbide Inserts, или штыревые долота) используются для пород с твердостью в более широких пределах, включая самые твердые и с наибольшей абразивностью (см. рис. 1.1). Долотами с фиксированными резцами, включая долота со вставками из поликристаллического алмазного композита (PDC - Polycrystalline Diamond Compact), импрегнированными и алмазными долотами можно бурить практически все пласты на различных глубинах.

Рис. 1.1. Долота разныхтипов, слева направо: PDC, TCI и с фрезерованными зубьями

1.1. Общая характеристика шарошечных буровых долот

      По сравнению с буровыми долотами, которые использовались в недавнем прошлом, современные долота имеют существенно отличающееся вооружение и изготовлены из значительно усовершенствованных материалов. В результате этого эффективность долот систематически повышается из года в год.
      На рис. 1.2 представлена общая схема устройства шарошечных долот.


6

ГЛАВА 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

ниппель

смазки

подачи смазки

Твердосплавное покрытие
Спинка лапы

Фрезерованный зуб

насадка

уплотнение

             иной подшипник Замковый подшипник
   Упорный подшипник
Калибрующая вставка

Периферийная вставка

Рис. 1.2. Общая схема и элементы шарошечных долот


      1.2. Механизм разрушения горных пород.
      Выбор долота

      По характеру воздействия на породу долота делятся на дробящие, дро-бяще-скалывающие, истирающе-режущие, режуще-скалывающие. Породы подвергаются эрозионному разрушению под действием струи жидкости. Все эти механизмы разрушения взаимодействуют. В то же время один из указанных механизмов воздействия на породу является основным для данной конструкции.
      Долота с натуральными алмазами предназначены для бурения с очень небольшим проникновением в пласт. Алмазы, проникая с пласт, дробят цементирующий материал горных пород, удерживающий их отдельные частицы.
      Механизм разрушения пород долотами PDC можно рассматривать как скалывающий и дробящий.
      Шарошечные долота с большим углом смещения шарошек, предназначенные для бурения мягких пород, используют все основные механизмы разрушения горных пород. При бурении крепких пород ударные и сминающие нагрузки преобладают.
      Множество факторов влияет на выбор долота, наиболее подходящего для бурения определенного интервала какой-либо скважины. На общую

7

Э. В. Бабаян

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССАУГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ

стоимость бурения влияют глубина и диаметр скважины, твердость и абразивность пород, тип бурового раствора, стоимость буровой установки и многие другие факторы.
       При выборе долота нужно руководствоваться следующими основными параметрами:
       - твердость и абразивность пород,
       - типы бурового раствора,
       - система вращения,
       - диаметр долота.
       Твердость и абразивность пород. Твердые и абразивные породы разрушаются механизмом сжатия. Долота, которые разрушают горную породу механизмом сдвига, не имеют успеха при работе в крепких породах. Шарошечные долота обычно успешно работают в твердых горных породах, потому что они предназначены для разрушения горных пород смятием. Кроме того, эти долота были разработаны для минимизации абразивного износа.
       Вязкие породы требуют особого рассмотрения. Налипание гидратирующей глины к зубцам или самому долоту осложняет процесс бурения. У долот, предназначенных для разбуривания вязких пород, более широкое расстояние между зубьями. Долота PDC, шарошечные долота с натуральными алмазами и короткими зубцами не имеют большого успеха в вязких породах, если не использовать буровые растворы на нефтяной основе.
       Типы буровых растворов. Буровые растворы на углеводородной основе эффективны при бурении вязких пород долотами PDC. Буровые растворы на углеводородной основе значительно снижают гидратацию глин и предотвращают налипание разбуриваемой породы на долото.
       Системы вращения. Распространены следующие два метода вращения долот:
       1) роторный;
       2) забойный двигатель.
       Система вращения не влияет на выбор долота. Как правило, забойный двигатель вращает долото с большой частотой. Поэтому при использовании забойных двигателей работа подшипников в шарошечных долотах ограничена во времени. Долота PDC и натуральные алмазные долота рекомендуются при бурении глубоких скважин забойным двигателем из-за более длительного срока службы.
       Размер долот. Шарошечные долота бывают разных диаметров. Долота PDC и натуральные алмазные долота большого диаметра не выпускают.

8

ГЛАВА1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

При бурении на больших глубинах долота PDC дают лучшие результаты по сравнению с шарошечными долотами. В глубоких скважинах надежность долота является важным фактором.
      Шарошечные долота небольшого диаметра менее предпочтительны из-за короткого срока службы, небольшой несущей способности и вытекающего отсюда быстрого износа подшипников. В этих условиях предпочтение отдается долотам без подвижных элементов.
      На производительность буровых долот влияют условия, в которых они работают. Эксплуатационные параметры, такие как прикладываемая осевая нагрузка на долото, уплотнение и система смазки, функционирует как единый элемент, и их конструкции тесно взаимодействуют. Подшипниковые системы должны адекватно функционировать при соответствующих нагрузках на долото, в условиях больших ударных нагрузок, будучи погруженными в буровые растворы, содержащие абразивные и химические добавки, а в некоторых случаях и в относительно высокотемпературных средах. Конструкция гидравлики долота проектируется с учетом эффективного удаления выбуренной породы с вооружения и забоя с последующим выносом шлама на поверхность.


      1.3. Шарошечное долото с конической шарошкой

      Шарошечное долото с конической шарошкой - самый распространенный тип долота, который сейчас используется при вращательном бурении. Большое разнообразие конструкций зубцов и типов подшипников позволяет подобрать нужное долото для пород различных физико-механических характеристик.
      Смещение оси конической шарошки. Бурение с помощью шарошечного долота с конической шарошкой зависит в некоторой степени от смещения шарошек.
      Смещение заставляет шарошку прекратить периодически вращаться, так как долото вращается и скребет забой скважины как лопастное долото. В большинстве типов пород это действие обычно увеличивает скорость бурения. Однако в абразивных породах оно также способствует более быстрому изнашиванию зубцов.
      Угол смещения оси конической шарошки относительно долота меняется от 4 градусов для долот, используемых для бурения мягких пород, до нуля для долот, используемых в исключительно крепких породах.


9

Э. В. Бабаян

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ

       Форма зубцов долота. Форма зубцов долота также сильно влияет на операцию бурения шарошечным долотом. Для бурения мягких пород используются длинные, широко расставленные стальные зубцы.
       Эти длинные зубцы быстро проникают в мягкую горную породу и скребком, получаемым в результате попеременного вращения и пропахивающего действия смещенной конической насадки, срезают выбуренную породу. Широкое расстояние между зубцами на конической шарошке способствует очищению долота. Очищение обеспечивается истекающими струями жидкости между шарошками.
       По мере увеличения крепости горной породы длина зубца и смещение конической шарошки должны уменьшаться для предотвращения повреждения зубца. Бурение шарошкой с нулевым смещением оказывает на породу сминающее действие. Кроме того, зубцы меньшего размера дают больше места для конструирования более прочных подшипников.
       Тип зубцов долота. Физические показатели вооружений, рассчитанных на породы низкой, средней и высокой твердости, легко узнать по длине и геометрической компоновке их режущих элементов.
       Существует два основных типа зубцов долота:
       - фрезерованные зубцы шарошки,
       - твердосплавные вставные штыри (зубцы) из карбида вольфрама.
       Твердые породы бурятся больше за счет дробящего и истирающего действия, чем за счет проникновения. Упругие породы, такие как карбонаты, бурят за счет скоблящего действия, поскольку они могут выдерживать высокие ударные нагрузки и высокие рабочие температуры. Способы бурения и свойства породы определяют форму и марку подходящих вставок из карбида вольфрама. Типичные виды вставок (высотой приблизительно 19 мм) представлены на рис. 1.3, но их выбор зависит от размера долота.

Рис. 1.3. Типичные виды вставок

       Усиленные алмазами вставки часто используются в калибрующей зоне долота, подверженной высоким нагрузкам и истиранию, для предотвращения износа. Они состоят из поликристаллического алмазного композита (PDC),

10