Технология бурения нефтяных и газовых скважин модернизированными винтовыми забойными двигателями (научное обобщение, результаты исследований и внедрения) (31.01.2011)

Автор: Двойников Михаил Владимирович

Общее количество отказов 6 (3,1 %)

ООО «РН-Бурение» ОАО «Роснефть» ДРУ-172РС 2349-2363 1 Слом полумуфты шпинделя

ДГР-178 3123-3145 1 Отворот шпинделя

Д-172РС 2579-2584 1 Слом торсиона шпинделя

Д3-195 3024-3041 1 Слом корпуса

Д2-195 2771-2780 1 Слом ротора

Д5-195 2878-2897 2 Отворот шпинделя, слом торсиона

Общее количество отказов 7 (2,9 %)

В филиале Уренгой бурение ООО «Газпром бурение» за 2008 год произошло девять, в компании «KCA Deutag» шесть, а в ООО «РН-Бурение» ОАО «Роснефть» семь аварий, связанных с отказами ВЗД. Основной причиной этих аварий является недостаточный оперативный контроль за параметрами бурения, а именно, нагрузкой на долоте. Отворот резьбовых соединений происходил в процессе бурения скважины комбинированным способом и в случае подъёма инструмента (с промывкой) с одновременным его проворачиванием верхним приводом.

Оставление на забое элементов ВЗД в результате отворота, является одной из сложных видов аварий в скважине. Их ликвидация связана с огромными материальными и техническими затратами. Несмотря на кажущийся низкий процент аварий (относительно пробуренных скважин в течение года от 2,9 до 5,6 %), затраты на их ликвидацию составляют в среднем от 25 до 115 млн. рублей.

Большой вклад в решение задач, связанных с автоматизацией и оперативным контролем параметров бурения, внесли исследования Т.Н. Бикчурина, Д.Ф. Балденко, Г.Д. Бревдо, П.В. Балицкого, Г.А. Кулябина, Ю.В. Кодзаева, Э.Е. Лукьянова, Н.Ф. Лебедева, М.Р. Мавлютова, В.П. Овчинникова, А.Н. Попова, А.И. Рукавицина, А.И. Спивака, Б.З. Султанова, Н.М. Филимонова, В.С. Федорова, Е.К. Юнина и д.р.

Ими предложены эмпирические зависимости, а также практические способы оперативного контроля за режимами углубления забоя определением осевой нагрузки на забой. Существенным недостатком является использование большого количества коэффициентов, учитывающих влияние технико-технологических и геологических факторов, которые имеют достаточно широкий диапазон варьирования.

На сегодняшний день оперативный контроль (управление) за режимами бурения c учетом корректировки текущего положения оси горизонтальной скважины обеспечивается станциями геолого-технических исследований (ГТИ). Наиболее широкое применение нашли станции АМТ-121, Мега-АМТ компании ООО «АМТ» и АПК «Волга», а также Геотест-5 компании ОАО НПФ «Геофизика».

Оперативное управление режимом бурения, в частности осевой нагрузкой на долото, основано на автоуправлении: подаче бурового инструмента (регуляторами подачи долота – РПД); блоками управления осевой нагрузкой на долото – БАУ) и др.; приводом ротора; приводом буровых насосов (использование параметров состояния приводного двигателя бурового насосного агрегата БНА с РПД); момента двигателя, регистрации разницы перепадов давления в двигателе при его работе в рабочем режиме и режиме холостого хода; тензодатчиками, устанавливаемыми в немагнитном переводнике над двигателем.

Разработанные и прошедшие промысловые испытания системы автоматического управления подачей инструмента при бурении (система автоматического управления поддержания осевой нагрузки на долото) имеют следующие ограничения: невозможность их применения в условиях часто перемежающегося разреза с резко различными по механическим свойствам породами и сильного искривления ствола скважины; невозможность осуществления автоматического поиска и поддержания оптимального значения нагрузки для каждой разбуриваемой литологической разности пород без остановки процесса бурения; сложность определения и контроля нагрузки на долото, влияющей на силовое взаимодействие элементов системы «БК-ВЗД-долото» при бурении скважин комбинированным способом.

Невозможность определения нагрузки по перепаду (изменению) давления в манифольде буровой установки, величине снижения (потере) веса бурильной колонны, а также использование датчиков, устанавливаемых в телеметрических навигационных системах, настройка которых производится по оптимальной энергетической характеристике двигателя, напрямую связаны с износом рабочих органов ВЗД в процессе его работы или возможным сальникообразованием или износом долота.

Изложенное обусловливает необходимость проведения исследований по изучению работы системы «БК – ВЗД – долото» для оперативного управления режимами бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин при бурении скважин комбинированным способом, обеспечения безаварийности их проводки введением этапа оперативной корректировки осевой нагрузки на долото, определяемой по силовым и частотным показателям работы ВЗД и бурильной колонны.

В третьем разделе представлены методика, методы и результаты проведенных исследований износостойкости рабочих органов ВЗД, изменения диаметров ротора и эластомера статора, их влияние на диаметральный натяг в паре ротор-статор; параметров РО героторного механизма модульного исполнения и уровня крутильных колебаний (вибраций); энергетических характеристик отработанных (изношенных) двигателей в условиях скважины и разработанного ВЗД с героторным механизмом модульного исполнения.

Для проведения исследований при решении поставленных задач использовались: микрометры и калибры; виброметр ОКТАВА 101В; стенд для исследования энергетических характеристик гидравлических машин Griffith TORQUEMASTER JUNIOR 1289.

Исследования износостойкости РО проводились по отработанным винтовым двигателям типа Д2-195 (от 20 до 100 ч) в равнозначных геолого-технологических условиях бурения скважин с интервалом бурения от 2100 до 3000 м (разрез представлен преимущественно песчаником, известняком); плотностью бурового раствора - от 1100 до 1150 кг/м3; содержание песка в буровом растворе - не более 1,14 %; система очистки - четырехступенчатая фирмы «Derik», «Swaсo»).

Для проведения исследований параметров РО в зависимости от угла разворота модулей относительно друг друга использовался «автоматизированный гидравлический ключ», входящий в состав стенда.

Контроль угла разворота модулей относительно друг друга (?1) осуществлялся транспортиром, а также методом оттиска (печати). Суть метода заключалась в следующем. При изменении угла ?1 модулей происходит смещение винтовой линии ротора. Поэтому первоначально для определения смещения зубьев модулей, поверхности винтовых линий (вершин зубьев) покрываются смазкой или красятся маркером. Затем производится наложение на них материала (например, лист бумаги) и снимается оттиск измененного направления винтовой линии вершины зубьев 3 и 4 винтовой линии модулей 1, 2 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Оттиск винтовой поверхности модулей, развернутый профиль винтовой линии

Далее измеряют смешение h винтовой линии модулей и рассчитывают величину угла ?1 по формуле

?1 = 2?h ? l, (1)

где h – смещение винтовой линии, мм; 2? – в град. (3600); l – длина окружности, причем l = ?df ; df – наружный диаметр ротора по вершинам зубьев, мм.

= 0,10; эксцентриситет е в пределах 4,5 мм; диаметр ротора по вершинам зубьев df = 125,54 мм; диаметр эластомера статора по впадинам dc = 134,76 мм; диаметральный натяг ? = 0,47 мм. Результаты исследований представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты исследования параметров РО и энергетических характеристик Д2-195 в зависимости от времени отработки в скважине

ном. Время работы в скважине, ч Диаметр ротора по вершинам зубьев, мм Внутренний диаметр статора по впадинам, мм Диаме-траль-ный натяг, мм Энергетические характеристики ВЗД (при Qconst=0,030 м3/с; n=10,4 с-1)

Давление в двигателе, МПа Момент на валу двигателя, кНм

1 20 125,54 134,76 0,47 6,50 7,200

2 20 125,55 134,95 0,45 6,50 7,180

3 20 125,53 135,16 0,42 6,30 7,190

4 20 125,55 135,33 0,45 6,30 7,200

5 20 125,54 135,28 0,46 6,40 7,175

6 20 125,55 135,41 0,43 6,30 7,180

Среднее значение 125,54 135,29 0,44 6,35 7,185

7 40 125,53 135,57 0,41 5,40 6,720

8 40 125,52 135,54 0,40 5,40 6,870

9 40 125,53 135,61 0,40 5,35 6,532


загрузка...