Строительство нефтяных и газовых скважин

c) Нельзя использовать чрезмерно высокие значения нагрузки и оборотов долота;

d) При потере диаметра долота, может скачкообразно увеличиваться момент на долоте, это причина подъема долота.

Перемежающиеся породы:

a) Наиболее встречающаяся ситуация при бурении скважин на нефть и газ, переслаивание глин, аргиллитов, мергелей, песчаников и т. д. Наиболее эффективны долота с твердосплавным вооружением, или долота PDC, адаптированные для пород средней твердости, при отсутствии или незначительном включении абразивных пород.

b) Режим бурения подбирается по максимально достигнутой механической скорости проходки.

c) Возможны все виды осложнений: сальникообразование, осыпи и обвалы пород, поглощения, прихваты, вибрации. [54]

§ 28. Практические приемы работы с долотами

Из всех существующих технологический операций, отработка долота, являясь приоритетным в технологии строительства скважин, выполняется силами буровой бригады/вахты. Поэтому для получения максимального эффекта отработки долот, необходимо глубокое понимание процесса и требований к этому процессу, как у инженера, так и у персонала буровой бригады. На практике, для рациональной отработки долота, получения максимальной эффективности его работы, существует большое количество приемов и условий, обязательных к выполнению. [54]

1. Изучение буровой площадки, проверка подготовленности персонала буровой бригады/вахты.

Это включает в себя:

• Оценка буровой установки и установленного оборудования;

• Квалификация персонала (определяется тестированием, проверкой документов).

2. Проверка состояния оборудования и факторов, влияющих на показатели работы долота:

a) Вибросита (тип, количество, размер ячеек);

b) Песко-илоотделители, центрифуги (тип, количество);

Неэффективная очистка может снизить механическую скорость проходки, за счет повышения содержания твердой фазы в растворе, привести к осложнениям (сальникообразование, прихваты инструмента, поглощения раствора);

c) Буровые насосы;

d) Циркуляционная система;

e) Наличие, правильность размещения и исправность датчиков ГТИ;

f) Тип, состояние и параметры бурового раствора, тип и количество ингибитора раствора;

g) Гидравлическая программа (реологические константы раствора, максимальные давления, подача раствора, тип, параметры и режим прокачки вязкоупругих пачек, для очистки ствола и для кольматации с добавкой наполнителя зон поглощения, наполнитель не должен забивать насадки долота, т. е. иметь меньший размер диаметра насадки);

Гидравлическая программа должна обеспечивать максимальную степень очистки забоя, вынос выбуренной породы с забоя, качество очистки достигается, при оптимальной гидравлической программе, различными технологическими приемами, конструктивными особенностями долота и режимом течения раствора.

h) Профиль скважины (при бурении горизонтального участка ствола, требования к КНБК, отличны от КНБК для вертикальной и наклонно-направленной скважины);

i) Привод долота (ротор, верхний силовой привод, ВЗД, роторная управляемая компоновка);

j) Показатели работы долота существенно зависят от вида привода долота. ВЗД имеет преимущество перед роторным способом бурения более высоким числом оборотов, но имеет свои ограничения, например при прохождении зон поглощения и небольшим ресурсом, по сравнению с роторным способом. Комбинация бурения управляемой роторной компоновкой и ВЗД значительно увеличивает механическую скорость проходки. Роторная управляемая система может обеспечить более точный контроль при наклонно-направленном и горизонтальном бурении по сравнению с забойным двигателем. Бурение горизонтальной скважины очень проблематично а при длине горизонтального ствола более 400 м и невозможно без применения верхнего силового привода. Вынос шлама и образование «дюн» зависят так же и от вращения бурильной колонны. Доведение нагрузки на долото в горизонтальной скважине, без вращения бурильных труб или применения спец оборудования (трактор) невозможно;

k) Наличие в КНБК калибраторов, центраторов, стабилизаторов их линейные размеры, расположение лопастей, влияют на качество бурения ствола скважины. При подготовке ствола скважины к спуску колонны, особенно большого диаметра, калибратор с прямыми лопастями обеспечивает цилиндрический ствол скважины в отличие от спирального калибратора, который благодаря своей спиральной форме, вписывается в пробуренный ствол, не всегда калибруя его;

l) Каротаж в процессе бурения (MWD/LWD), получение прямых данных о давлении пласта, литологии, вибрации в скважине, доведенной нагрузке на долото, позволяет правильно оценить правильность решений и действий по скважине.

m) Реализация гидравлической мощности на долоте, важный фактор высокой механической скорости проходки, обеспечивается правильным подбором насадок, расходом промывочной жидкости;

n) Подготовка долота к спуску, установка насадок, присоединение долота к бурильной колонне, спуск долота в скважину, должны выполняться строго по регламентам и инструкциям.

Разбуривание продавочных пробок, цемента, обратных клапанов, башмаков

Для разных типов долот и привода долота существует разные методики разбуривания. Оснастку низа обсадной колонны можно разбуривать долотами с алмазосодержащим вооружением (долота PDC, импрегнированные, алмазные) в случае если, разбуриваемая оснастка состоит из пластмассовых, цементных и резиновых элементов. Латунные и алюминиевые элементы могут повредить долото, забить промывочные каналы, или поднимая куски алюминия в кольцевое пространство, заклинивая бурильную колонну. При цементирования, для предотвращения проворачивания продавочной пробки, необходимо на пробку закачать цемент, достигается стравливанием давления «СТОП» на 10–12 атм.

3.1. Процедура разбуривания оснастки:

a) Отбить забой с нагрузкой 1,5–2 т. Определить наличие не затвердевшего цемента;

b) С минимальной нагрузкой и 20–40 об/рот и максимальной подаче, начать разбуривание;

c) Через каждые 3–6 см проходки расхаживать инструмент на величину 1–1,5 м;

d) Если углубления нет повторить расхаживание на величину 1–1,5 м с промывкой;

e) Внимательно следить за давлением насосов, для контроля закупорки промывочных каналов;

f) При появлении вибраций изменить обороты ротора;

g) Не использовать автоматическую подачу долота;

h) Прикладывать минимальную нагрузку, следить за механической скоростью проходки, увеличивая нагрузку на долото до 3–4 т., не забывая о периодическом расхаживании инструмента;

i) Если в оснастке присутствует алюминий и появились заклинки при разбуривании, остановить циркуляцию для падения элементов на збойц и пытаться раздавить алюминиевые элементы долотом. [54]

Приработка долота

При начале работы с новым долотом, очень важно правильно сформировать профиль забоя в соответствии с геометрией долота. От правильности выполнения формирования забоя, зависит работоспособность долота. Если новое долото значительно отличается от предыдущего геометрией, подход к забою необходимо производить с минимальной подачей насосов.

a) При вращении 40–60 об/мин нагрузить долото 1,5–2 т., начать углубление, для внедрения

вооружения в породу, подача раствора должна быть проектной;

b) Если нет углубления, увеличить нагрузку и пробурить на высоту долота с минимальной нагрузкой, при этом контактировать с породой будут только некоторые элементы вооружения, при большой нагрузке они могут разрушиться;

c) Постепенно увеличить нагрузку на долото до проектной;

d) Увеличить обороты ротора проектных значений, корректировать нагрузку по максимуму механической скорости проходки, при этом подача долота должна быть максимально непрерывной;

e) Избегать вибраций, при появлении вибраций, изменить обороты ротора, снижение нагрузки существенно снижает механическую скорость проходки;

f) При равенстве забойного и порового давления, механическая скорость проходки снижается и при уменьшении порового давления, и может снизиться до очень малых величин. [54]

Методика подбора режима бурения

Методика заключается в приложении нагрузки на долото при трех разных оборотах долота с блокировкой тормоза, после чего бурение осуществляется без подачи инструмента.

1. Выбрать три скорости вращения ротора например: 80, 120 и160 об/мин;

2. Установить минимальную скорость вращения и создать максимально разрешенную нагрузку на долото;

3. Затормозить лебедку и провести бурение без подачи инструмента;

4. Записать нагрузки с шагом 1 т. в порядке уменьшения до снижения механической скорости до минимальных значений, зафиксировать время в секундах, затраченное на бурение интервала нагрузок;

5. Произвести пробное бурение с 120 и 160 об/мин, в той же последовательности;

6. Проанализировать время, затраченное на бурении при трех значениях оборотах ротора. Наименьшее затраченное время в секундах, на бурение в диапазоне равных нагрузок, будет соответствовать максимальной скорости проходки. Но это не догма, всегда искать максимум механической скорости проходки и избегать вибраций. [54]

Глава 7. Забойные двигатели

§ 29. Общие сведения о забойных гидравлических двигателях

Турбобуры – это забойные гидравлические двигатели, предназначенные для бурения скважин в различных геологических условиях. Спускаются к забою на бурильных трубах. Энергия, необходимая для работы турбобура, доставляется потоком жидкости, подаваемой по трубам, установленными на поверхности насосами. Жидкость, отработанная в турбине подается в долото и, проходя через отверстия в долоте, попадает на забой, очищает его, вынося разбуренную породу на поверхность. Турбобур состоит из стопора с дисками и ротора с дисками. Лопатки ротора и статора имеет противоположные направления наклона, левое и правое. Схематически на Рис. 64 Изображены внешний вид турбобура и пары ротор-статор. [9]

Рис 7.1. Турбобур

Мощность на валу турбобура определяется

N = (QHγ/75) * η (6.1)

Где: – Q – подача жидкости, л/с;

Н – перепад давления на турбобуре, кг/см2

γ – плотность жидкости, г/см3

η – КПД турбобура.

Турбобуры выпускаются различных типов. Односекционные, двух и трех секционные, быстроходные, тихоходные. Отличительная особенность – большое число оборотов вала турбобура (500–1200 об/мин.), что не всегда отвечает требованиям режима бурения.

В НПО «Буровая техника» – ВНИИБТ созданы турбобуры нового поколения типа Т1, которые имеют улучшенную энергетическую характеристику и обладают высокой надежностью. Так, например, как видно из приведенных данных, в новом турбобуре Т1–195 достигнуто повышение момента силы его турбины на 37 % при снижении частоты вращения на 15 %. Помимо улучшения показателей работы долот, применение турбобура Т1–195 показало исключительно высокую его надежность. Две шпиндельные секции нового турбобура наработали в среднем по 350 часов, что в 3 раза больше, чем на серийных шпиндельных секциях. Наработка на турбинные секции превысила 1000 часов, что примерно в 2,5 раза больше, чем на серийных аналогах. Высокие результаты были достигнуты за счет усовершенствований конструкции турбины, осевой и радиальных опор, использования улучшенных материалов. [9]

Требования к эксплуатации турбобуров заключается в следующем:

1 – рекомендуется применять долота диаметром, соответствующим диаметру и мощности турбобура. Бурильные трубы необходимо применять с минимальными гидравлическими сопротивлениями. Насосы должны быть способны работать при давлении не ниже 150 кгс/см, для обеспечения работы турбобура. Давление в циркуляционной системе складывается из:

Рн = Рм + Рст + РТР + РД + Ртб + Ркп (6.2)

Где: Рн – давление на насосе, кгс/см2

• Рм – давление в манифольде, кгс/см2

• Рст – давление на стояке, кгс/см2

• РТР – давление в бурильных трубах, кгс/см2

• РД – давление на долоте, кгс/см2

• Ртб – давление в турбобуре, кгс/см2

• Ркп – давление в кольцевом пространстве, кгс/см2

Расчеты потерь в циркуляционной системе довольно неточны, а с учетом того, что буровой раствор принадлежит к неньютоновским жидкостям, задача усложняется. Существуют готовые таблицы значений гидравлических потерь в элементах циркуляционной системы. На практике, оперативный расчет давления на насосе можно произвести по эмпирической формуле:

Рн = 0,015L + 15 (7.3)

Где: L – глубина спуска инструмента без долота и турбобура, в м. Перепад давления на турбобуре, долоте – величины справочные.

Для улучшения работы буровых насосов и увеличения коэффициента наполнения насосов, последние должны устанавливаться под залив. Буровая должна быть оснащена средствами очистки бурового раствора, под квадратом установлен фильтр, при бурении с аэрацией над турбобуром устанавливается обратный клапан; эти меры нужны, чтобы не допустить шламования турбобура. При эксплуатации турбобура необходимо контролировать люфт вала шпинделя при каждой смене долота. Менять шпиндель при – Кш = 2 мм. Контроль износа секции турбобура заключается в замере люфта вала турбинной секции. При новом шпинделе люфт вала турбобура должен быть до 10±1 мм.

Винтовые двигатели – это обращенный насос Муано Рис. 66, который работает в режиме двигателя. В обрезиненном статоре вращается вал, который имеет эксцентриситет относительно статора. Состоит из неподвижного статора и планетарно движущийся ротор. Для передачи нагрузки на долото и вращающего момента секция соединена со шпинделем. Ротор изготавливается из нержавеющей или легированной стали с износостойким покрытием, внутренняя обкладка статора покрыта резиной. Направление винтовой поверхности – левое, что обеспечивает заворот реактивным моментом корпусных резьб ВЗД и бурильных труб. [15]

При циркуляции жидкости, в результате действия перепада давления на роторе двигателя вырабатывается крутящий момент, причем винтовые поверхности взаимно замыкаясь, разобщают область высокого давления и область низкого давления. Для создания в двигателе полостей, теоретически разобщенных от областей низкого и высокого давлений (шлюзов) необходимо и достаточно выполнение четырех условий:

1. Число зубьев Z1 наружного элемента (статора) должно быть на единицу больше числа зубьев Z2 внутреннего элемента (ротора): Z1 = Z2 + 1;

2. Отношение шагов винтовых поверхностей наружного элемента (статора) и внутреннего элемента (ротора) должно быть пропорционально отношению числа зубьев: Т/t = Z1/Z2;

3. Рабочая длина двигателя должна быть не менее шага винтовой поверхности наружного элемента: L≥T;

4. Профили зубьев наружного и внутреннего элементов должны быть взаимно огибаемыми и находится в непрерывном контакте между собой в любой фазе зацепления.

Число оборотов составляет 100–300 об/мин, и чем больше заходность двигателя, тем выше развиваемый момент на валу: типы ВЗД зарубежных производителей приведены в таблицах

Конструктивная особенность ВЗД позволяет уменьшать длину и диаметр двигателя, не снижая мощности, что особенно актуально при бурении горизонтальных стволов скважин.

Различают четыре режима работы ВЗД:

1. холостой;

2. оптимальный (наиболее высокого КПД);

3. экстремальный (максимальной мощности);

4. тормозной (число оборотов = 0).

Рис. 7.2. Зависимость момента и частоты вращения вала ВЗД от кинематического соотношения рабочих элементов (D,Q,P-const)

Наиболее уязвимым узлом двигателя является соединение ротора двигателя с шпиндельной секцией. Механизм, соединяющий планетарно движущийся ротор с концентрично вращающимся валом, работает в тяжелых условиях. Помимо передачи крутящего момента и осевой нагрузки, этот узел должен воспринимать сложную систему сил в агрегате, характеризующейся непостоянной ориентацией ротора. Существует несколько решений:

1. Шарнирные соединения;

2. Торсион (Гибкий вал).

Торсион (гибкий вал) не нашел применения из-за их ненадежности при перекосе секций более 1030 '. [15]

Конструкция ВЗД

Винтовой забойный двигатель представляет собой симметричный роторный агрегат с применением зубчатого косого зацепления, приводимый в действие за счёт давления подаваемой жидкости (Рис 66).

Конструктивно состоит из:

• Двигательного узла.

• Рабочей части.

Двигательный узел

Двигательная секция ВЗД – основной силовой компонент двигателя и поэтому определяет его основные технические характеристики, такие как мощность, крутящий момент, КПД и частота вращения ротора.

Ротор имеет конструкцию похожую на сверло, но с высокопрочным износостойким покрытием, так как предназначен для передачи крутящего момента. Его изготавливают из высокопрочной легированной стали.

Количество зубьев у него меньше на одну единицу, чем у статора. Двигательный узел выполняют с определённым натяжением зубчатого зацепления, который зависит от параметров рабочей жидкости, свойств эластомера, температуры эксплуатации, а также других характеристик. От того, насколько точно они будут подобраны зависит прочность двигателя в целом и его ресурс работы.

На ресурс работы рабочей пары влияют следующие факторы:

• Присутствие в рабочей жидкости абразивных твёрдых частиц и дополнительных примесей.

• Использование в составе жидкости веществ, которые разъедают эластомер или изменяют его механические свойства. К ним относятся: соли, жидкость с высоким содержанием нефтепродуктов, хлориды, кислоты и соли.

• Превышение допустимых норм по температурным условиям в точке забоя, которые могут влиять на эластомер.

• Недостаточный прогрев рабочей пары при старте двигателя.

• Использование неправильного натяжения статор-ротор.

Рабочие органы ВЗД

Винтовой забойный двигатель состоит из следующих рабочих органов:

• шпиндельного узла;

• регулятора угла.

Рис. 7.3. Винтовой забойный двигатель

Где: 1 – осевой подшипник; 2 – радиальная опора; 3 – центратор; 4 – противоаварийный бурт

Шпиндельный узел является вторым по важности конструктивным элементом двигателя. Он предназначен для передачи крутящего момента от рабочей пары рабочему инструменту для разрушения плотных пород грунта. При этом он способен выносить значительные осевые нагрузки, вызванные не только необходимостью передачи крутящего момента, а и силу трения о стенки креплений при угловом или горизонтальном бурении.

Шпиндельный узел представляет собой корпус с двумя опорами (радиальной и осевой), на которых закреплён вал. Вращение ротора передаёт крутящий момент посредством торсиона или карданного вала на вал шпиндельного узла, который начинает вращаться и передавать момент уже рабочей части.

Данный узел может быть выполнен в двух конструктивных исполнениях:

Открытом, когда рабочие узлы смазываются рабочей жидкостью.

Закрытом или герметизированном. Все рабочие элементы находятся в масляной ванне под давлением до 20 атм, которое выбирается таким, чтобы значительно превышало давление окружающей их среды.

Бурение винтовыми забойными двигателями под углом может быть осуществлено только при помощи регулятора угла. Он представляет собой сложный механизм, который состоит из верхнего и нижнего переводников, сердечника и зубчатой муфты.

По сути он немного напоминает по конструкции карданный вал, но из-за тяжёлых условий эксплуатации и необходимости обеспечения определённой функциональности он был существенно усложнён. Все детали изготавливаются из прочной твердосплавной стали, с выполнением армирования поверхностного слоя. [15]

Основные особенности ВЗД, влияющие на его технические параметры

Скорость потока жидкости должна соответствовать типу используемого двигателя и его технических параметров рабочей пары. Чем больше лопастей на роторе и витков на статоре, тем больше поток жидкости, но при этом повышается и износ за счёт увеличения сил трения. Поэтому для конкретных условий бурения нужно варьировать эти параметры для достижения нужного результата.

Во время отсутствия нагрузки на забойную часть в ней происходит падение давления: когда ротор находится в подвешенном состоянии нужно затратить огромную энергию на приведение его в движение. При этом потеря давления будет пропорциональна скорости потока рабочей жидкости. Обычно она составляет примерно 7 атм.

При нагрузке на винтовой забойный двигатель в момент начала забоя происходит падение давления в системе, но со временем восстанавливается по мере раскручивания ротора.

Для двигателя существует предельное давление, которое возникает при бурении в рабочем узле. При необходимости увеличении усилия на долото требуется увеличить давление в системе, что приводит к деформации эластомера и потере крутящего момента. В результате полезной работы не производится, а рабочая жидкость просто протекает через двигатель.

Чем больше площадь поперечного сечения долота, тем меньше потери рабочего давления. При уменьшении размеров долота происходит быстрый износ подшипников, так как потока жидкости не хватает, чтобы их охладить.

Использование насадок на сопло ротора позволяет изменять поток жидкости через ВЗБ и, таким образом, учитывать особенности бурения конкретного вида горных пород при минимальном износе деталей и узлов. [15]

§ 30. Особенности эксплуатации гидравлических забойных двигателей

ВЗД относиться к машинам объемного (гидростатического действия), применение которого позволяет бурить с высоким моментом и оборотах на валу, мало изменяющимся при увеличении осевой нагрузки, Табл. 15. Рабочий агент-вода буровой раствор плотностью не более 1,5 г/см3, температурное ограничение не более 100 °С, повышенное содержание сероводорода, солей и песка свыше 1 %, снижает ресурс ВЗД.

Двигатель имеет различные варианты исполнения по числу шагов винтовой линии, длине активной части ротора и заходности, что необходимо для возможности применять ВЗД в различных условиях эксплуатации. Есть возможность установки сменного центратора в условиях буровой и установки угла перекоса между шпинделем и корпусом в пределах 1–3 град. Основными частями ВЗД являются:

• Верхний переводник

• Секция рабочих органов

• Секция шпиндельная

• Регулируемый кривой переводник

• Шарнирное соединение

• Противоаварийное устройство ротора

Допустимый осевой люфт вала 1 мм, радиальный 0,5 мм, давление пуска при холостом вращении 40 ат. Для обеспечения заполнения полости двигателя и бурильной колонны, применяется переливной клапан, для предотвращения шламования двигателя применяется обратный клапан. В зимнее время перед запуском ВЗД необходимо прогреть двигатель или спустить его в скважину без проверки на устье.

При бурении контроль нагрузки на долото можно осуществлять по изменению давления на насосах. При увеличении осевой нагрузки растет момент на долоте и снижаются обороты долота, перепад давления пропорционален моменту силы на валу, что очень важно при бурении горизонтального участка ствола скважины, где нагрузка на долото по индикатору веса не определяется. Запрещается превышать дифференциальный перепад давления свыше 15–25 ат. Отрывать долото от забоя при наличии циркуляции запрещается, во избежание возникновения реактивного момента, что может привести к развороту в рабочих соединениях. Отрыв долота производить без циркуляции и лишь после отрыва включить насос, для определения давления при холостом вращении. При бурении необходимо фиксировать ведущую трубу для предупреждения вращения от реактивного момента, что может привести к развороту в рабочих соединениях. По мере износа рабочих пар необходимо увеличивать расход жидкости на 20–25 %. При бурении с вращением с углом перекоса число оборотов ротора меняется в зависимости от угла перекоса отклонителя (не более 1 град.), длины плеча и интенсивности искривления, но не может превышать 40 об/мин., для отклонителя ДГР 195. Для ДГР-240 угол перекоса не более 1 град 30 мин. И число оборотов ротора не более 60. [15]

Таблица 15. Техническая характеристика забойных двигателей-отклонителей типа ПАУЭР-ПАК (Schlumberger-Anadrill)

Угол перекоса осей верхней и нижней секций двигателя может изменятся от 0° до 3° (12 позиций с интервалом 15'). Ротор может иметь сверление – байпас для работы при повышенной подаче насосов. Осевая опора может быть уплотненной маслонаполненной (серия S) или проточной (серия М). [84]