Аналитические исследования технологий бурения скважин с забойными двигателями. Аналитические исследования технологий бурения скважин с забойными двигателями состоит из 76 страниц, 1 таблицы, 15 рисунков, введения, заключения, списка использованных источников
 Скачать 1.16 Mb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт нефти и газа кафедра Бурения нефтяных и газовых скважин УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой ______ А.Л. Неверов подпись инициалы, фамилия « _____» ________ 2016 г. БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА Аналитические исследования технологий бурения скважин с забойными двигателями 21.03.01 «Нефтегазовое дело» Руководитель ________________ канд.тех.наук, доцент А.Л. Неверов подпись, дата должность, ученая степень инициалы, фамилия Выпускник ________________ В.В. Городилов подпись, дата инициалы, фамилия Красноярск 2016 2 РЕФЕРАТ Бакалаврская работа по теме: «Аналитические исследования технологий бурения скважин с забойными двигателями» состоит из 76 страниц, 1 таблицы, 15 рисунков, введения, заключения, списка использованных источников. ВИНТОВЫЕ ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ТУРБОБУРЫ, ТУРБОВИНТОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ТИПЫ КОНСТРУКЦИИ, РАБОЧИЕ ОРГАНЫ, СОЛЕНОСНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ, ПЕННЫЕ БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ Аналитические исследования технологий бурения скважин с забойными двигателями показали, что забойные двигатели являются эффективными техническими средствами по бурению нефтяных и газовых скважин, применимыми в различных условиях, в том числе при наклонном и горизонтальном бурении, а также в сложных горно-геологических условиях. Активное использование забойных двигателей, в наибольшей степени отвечающих требованиям современного породоразрушающего инструмента и технологии бурения, связано с их уникальными техническими и энергетическими характеристиками. В итоге был разработан ряд рекомендаций и предложений по использованию забойных двигателей различных конструкций при направленном бурении, в условиях соленосных отложений и аномально низких пластовых давлений. Выбранные режимы эксплуатации забойных двигателей являются применимыми для технической реализации на добывающих предприятиях Восточной Сибири. 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................... 4 1. ОБЗОР ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН С ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ....................................................................... 6 1.1 Принцип действия и особенности основных видов забойных двигателей ............................................................................................................. 7 1.1.1 Винтовые забойные двигатели ............................................................ 7 1.1.2 Турбинные забойные двигатели ........................................................ 15 1.2 Перспективы развития отечественных забойных двигателей .............. 19 1.2.1 Совершенствование рабочих органов ВЗД ...................................... 19 1.2.2 Статоры с равномерной толщиной эластичной обкладки .............. 21 1.2.3 Оптимизация геометрических и конструктивных параметров рабочих органов ................................................................................................. 22 1.3 Совершенствование конструкции турбобуров ...................................... 24 1.4 Применение забойных двигателей в сложных горно-геологических условиях .............................................................................................................. 28 2 НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ .................... 32 2.1 Наклонное и горизонтальное бурение .................................................... 32 2.1.1 Наклонное бурение ............................................................................. 32 2.1.2 Бурение горизонтальных скважин .................................................... 36 2.1.3 Системы с управляемыми винтовыми забойными двигателями ... 40 2.2 Технологии бурения глубоких скважин гидравлическими забойными двигателями в условиях соленосных отложений ........................................... 49 2.3 Бурение скважин на месторождениях в условиях аномально низких пластовых давлений и поглощения бурового раствора ................................. 57 2.3.1 Применение ВЗД при бурении в условиях АНПД и поглощения бурового раствора с промывкой пеной ............................................................ 66 3 ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПО ПРОВЕДЕННЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ ......................................................................................... 68 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ: ....................................... 71 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы. В настоящее время в России необходимость освоения новых нефтегазовых регионов, расположенных в суровых климатических условиях на севера, на больших глубинах со сложными горно-геологическими условиями, в том числе на морском шельфе, ставит перед нефтегазовой отраслью задачу по увеличению эффективности процесса бурения и снижению затрат на строительство скважин. В строительстве бурение производится для инженерно-геологических изысканий, закладки взрывчатых веществ при взрывных работах, для водоснабжения и водопонижения, установки столбов, дорожных знаков и надолб, устройства буронабивных свай и др. Особое место занимает строительство глубоких нефтяных и газовых скважин. При бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели, преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Общепризнанно, что эффективный забойный двигатель, подобранный под буровое долото и пласт, обеспечивает лучшую скорость проходки, чем роторное бурение. Отечественные забойные двигатели были изобретены более 50 лет назад и за это время прошли эволюционный путь развития, превратившись в эффективное техническое средство для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин. Однако в связи с появлением новых технологий (горизонтальное и многозабойное бурение, колтюбинг, бурение на депрессии, на обсадной колонне), породоразрушающего инструмента и бурового оборудования актуальными становятся разработки, направленные на дальнейшее совершенствование технологий бурения с забойными двигателями, их характеристик и способов управления. Целью данной работы является анализ современного состояния конструкций и применения забойных двигателей при бурении глубоких нефтяных скважин, в том числе в особых условиях бурения. 5 Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: Изучить типы конструкций современных забойных двигателей и определить направления их совершенствования; Определить направления исследований по выбору оптимальных технических решений, компоновок бурильных колонн, технологических режимов бурения в условиях, применимых для Красноярского края и соседних регионов; Провести анализ литературных источников по технологиям бурения скважин с забойными двигателями в указанных выше условиях. 6 1. ОБЗОР ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН С ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ Идея создания забойного привода долота для проходки скважин базировались прежде всего на возможности эффективного решения следующих задач: снижение аварийности с бурильными трубами за счет облегчения условий их работы; обеспечение роста показателей работы долот за счет улучшения использования мощности на разрушение породы. В дальнейшем забойный привод оказался незаменимым инструментом для осуществления проходки искривленных участков, а также корректировки траектории движения забойной компоновки [1]. В технике бурения известны различные забойные двигатели. Между собой они отличаются как по характеру движения, сообщаемого долоту, так и по виду анергии (рабочего тела), подводимой к двигателю и преобразуемой в нем в механическую работу. В основном это гидравлические и электрические двигатели (электробуры) - погружные вращатели. В практике бурения неглубоких скважин достаточно широко применяются погружные машины ударного действия - пневмоударники и гидроударники. В бурении на нефть и газ широкое применение нашли гидравлические забойные двигатели (ГЗД), приводящие долота во вращательное движение. С их помощью осуществляется порядка 85 % всей проходки глубоких скважин в России. В настоящее время отечественными машиностроительными заводами выпускаются три вида гидравлических забойных двигателей: турбинные забойные двигатели (турбобуры) различного конструктивного исполнения; винтовые забойные двигатели; турбинно-винтовые забойные двигатели. 7 1.1 Принцип действия и особенности основных видов забойных двигателей 1.1.1 Винтовые забойные двигатели Применение низкооборотного бурения в конце прошлого и начале нынешнего веков приносит ощутимый эффект, и это способствует развитию винтовых забойных двигателей (ВЗД) и темпам его внедрения. Высокие темпы внедрения ВЗД отмечены в начале 21 века, так, например, если в 2000 г. доля бурения скважин с использованием ВЗД составляла всего 9-12%, то в 2003 г. уже 40-50% [2]. Винтовые забойные двигатели предназначены для бурения наклонно- направленных, глубоких, вертикальных, горизонтальных и других скважин. Так же применяется для разбуривания песчанных пробок, цементных мостов, солевых отложений и т.д. Диаметр винтовых забойных двигателей обычно составляет 54-230 мм и применимы в бурении и капитальном ремонте скважин. Винтовые забойные двигатели так же имеют в своем составе [3]: Шарошечные долота Безопорные долота Бурильные головки (обеспечивают требуемый зазор мажду корпусом двигателя и стенками скважин) ВЗД эксплуатируются при использовании буровых растворов плотностью не более 2000 кг/м3, включая аэрированные растворы (и пены при капитальном ремонте скважин), с содержанием песка не более 1 % по весу, максимальным размером твердых частиц не более 1 мм, при забойной температуре не выше 373 К. По принципу действия ВЗД является объемной (гидростатической) машиной, многозаходные рабочие органы которой представляют собой планетарно-роторный механизм с внутренним косозубым зацеплением. Классификация винтовых забойных двигателей по применению пред- ложена Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко и А.Н. Гноевых по 17 признакам [3]. 8 На сегодняшний день различают 7 классификаций: Двигатели общего назначения: для бурения вертикальных скважин. Секционные винтовые забойные гидравлические двигатели. Двигатели для ремонта скважин и бурения дополнительных стволов. Двигатели для прокладки подземных коммуникаций и специфических технологий (например, для бурения на колтюбинге). Двигатели для отбора керна. Турбовинтовые двигатели. Двигатели с разделённым потоком. В настоящее время винтовые героторные двигатели являются практически единственным типом объемных гидравлических двигателей, которые сравнительно долговечны при перекачивании жидкостей, содержащих механические примеси и не обладающие смазывающими свойствами. Это достигается за счет особенностей принципа действия и конструктивного исполнения рабочих органов. Винтовые забойные двигатели, как и большинство винтовых героторных насосов, отличаются традиционным конструктивным исполнением рабочих органов: металлическим ротором с износостойкой рабочей поверхностью и статором, имеющим эластичную обкладку, на внутренней поверхности которой расположены винтовые зубья. Выбор эластомера (обычно это резина) в качестве материала обкладки статора определяется следующими соображениями [3]: необходимостью получения достаточной износостойкости в абразивной среде (широкий опыт использования резинометаллических подшипников в различных тяжелых условиях подтверждает это положение); возможностью прокачивания через рабочие органы случайно попавших в жидкость взвесей; технологичностью выполнения рабочих поверхностей зубьев статора; необходимостью компенсации неизбежных погрешностей изготовления ротора и статора по профилю, диаметрам, шагу винтовой 9 линии и прямолинейности оси и создания при этом первоначальной герметичности рабочей пары за счет некоторого натяга (превышения диаметральных размеров ротора над соответствующими размерами статора). В 70-х годах прошлого века во ВНИИБТ и его Пермском филиале впервые в мире был создан винтовой забойный двигатель (ВЗД) с многозаходными рабочими органами. В ходе разработки и усовершенствования отечественных ВЗД было получено более 120 авторских свидетельств и патентов, 18 из которых были запатентованы в промышленно-развитых странах. В результате комплекса НИОКР отечественными учеными и инженерами были разработаны научные основы конструирования и технологии изготовления двигателей, теория рабочего процесса и технология бурения нефтяных и газовых скважин. За тридцать пять лет существования ВЗД претерпели достаточно большое количество конструкционных изменений, в результате чего в настоящее время они являются эффективным техническим средством для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин. Объемы бурения в России с применением ВЗД постоянно растут, и в настоящее время удельный вес проходки с применением ВЗД в основных регионах находится в пределах 40 – 80%, ВЗД успешно конкурируют с другими способами бурения. Так, например, объем эксплуатационного бурения винтовыми двигателями в ОАО «Сургутнефтегаз» в 2011 г. составил 3500 тыс. м (около 80% от общего объема бурения) [1,4-6]. До середины 1990-х годов отечественные ВЗД изготавливались в Пермском филиале ВНИИБТ, а также на Кунгурском и Павловском машзаводах по технической документации, разработанной Пермским филиалом и лабораторией винтовых забойных двигателей ВНИИБТ [6]. В 2003 г. на базе Пермского филиала ВНИИБТ было создано предприятие ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент», в которое вошел и Павловский машзавод. В настоящее время основными изготовителями российских ВЗД являются ООО «ВНИИБТ – Буровой инструмент», ООО «Радиус-Сервис», ОАО 10 «Пермнефтемашремонт» и ОАО «Кунгурский машиностроительный завод». Сегодня эти предприятия изготавливают, продают и сдают в аренду около 150 типоразмеров ВЗД диаметром от 43 до 240 мм. Парк ВЗД позволяет удовлетворять самым разнообразным технологическим задачам, решаемым буровиками и эксплуатационниками в ходе бурения и ремонта скважин. По применению ВЗД классифицируются на: Двигатели для бурения вертикальных скважин – представлены двигателями в диаметральном габарите от 172 до 240 мм; Двигатели для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин (рисунок 1) – представлены различными модификациями в диаметральном габарите от 95 до172 мм. Они имеют различные конструкции механизмов искривления корпуса и шпинделей; Рисунок 1 - Общий вид винтового забойного двигателя: 1 – осевой подшипник; 2 – твердосплавная радиальная опора; 3 – центратор; 4 – противоаварийный бурт. Двигатели для ремонта скважин и бурения дополнительных стволов. Многообразие технологических задач привело к созданию гаммы типоразмеров машин этого класса в диаметральном габарите от 43 до 127 мм. 11 Эти двигатели повсеместно используются как при разбуривании цементных и песчаных пробок, для райбирования и фрезерования эксплуатационных колонн, так и при бурении боковых стволов; Двигатели для прокладки подземных коммуникаций и специфических технологий (например, для бурения на колтюбинге). Односекционные ВЗД типа Д [3] включают двигательную и шпиндельную секции и переливной клапан, корпусы которых соединяются между собой с помощью конических резьб (рисунок 2). Рисунок 2 – Винтовой забойный двигатель типа Д. Рабочими органами двигательной секции являются многозаходные винтовые ротор и статор. Статор изготавливается из стали, внутри него размещена (привулканизирована) обкладка из резины с левыми зубьями. На внешней поверхности статора также имеются левые зубья. Количество зубьев ротора и статора отличаются на единицу (у статора на один меньше). Количество винтовых линий должно быть пропорционально числу зубьев. В общем виде, в основе работы винтовых забойных двигателей лежит обратный принцип «насоса Муано»: циркулирующая под давлением жидкость поступает в расширяющуюся полость, образующуюся между геликоидальным металлическим ротором скальчатого типа и винтовой геликоидальной полостью в корпусе статора из эластомерного материала. Давление циркулирующей жидкости (бурового раствора), поступающей в зазор между статором и ротором, заставляет ротор двигателя вращаться внутри статора. Таким образом, гидравлическая энергия циркулирующей жидкости преобразуется в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, передаётся на долото и приводит его в действие. Изменение числа «лепестков» геликоидального ротора и геометрии винтового канала статора 12 позволяют создавать двигатели, обладающие различными гидравлическими и механическими характеристиками, применительно к конкретному типу буровых работ или скважинных условий. Современный винтовой забойный двигатель состоит из четырёх основ- ных частей: узел перепускного клапана; силовая секция двигателя: секция преобразования энергии потока промывочного агента в механическую энергию вращения: узел соединения вала двигателя с валом шпинделя; шпиндельная секция: включает узел приводного вала и подшипники. Перепускной клапан, устанавливаемый над силовым отсеком, позволяет предотвратить засорение долота и двигателя во время спуска на забой. Использование клапана является особенно необходимым при разбуривании стали, бурении на депрессии или бурении слабосцементированных пород. Конструкция силовой секции включает пару «статор/ротор», которая преобразует гидравлическую энергию циркулирующей под давлением промывочной жидкости в механическую энергию вращения приводного вала. Соединение вала двигателя с валом шпинделя обеспечивает механизм, соединяющий планетарно движущийся ротор с концентрично вращающимся валом. Задачей шпинделя является передача гидравлической нагрузки с ротора двигателя на долото, а также создание перепада давления на долоте. Подшипники шпинделя должны также воспринимать радиальные нагрузки, возникающие от действия долота и шарнирного соединения. Специфической особенностью конструкции силовой секции является его возможность работать с различными видами циркулирующего флюида, включая буровой раствор на водной и нефтяной основе, воду, сжатый воздух и пены, во всех случаях обеспечивая выходные характеристики, позволяющие обеспечить бесперебойную работу бурового оборудования. 13 Статор и ротор турбины имеют геликоидальное сечение, при этом они имеют одинаковую форму в плане, однако стальной ротор имеет на один зубец меньше, чем количество каналов изготовленного из эластомера статора. Силовые секции забойных двигателей можно классифицировать в соответствии с количеством зубцов ротора и эффективных ступеней статора. Зубцы ротора и каналы статора имеют геликоидальное сечение, при этом одна ступень секции соответствует линейному расстоянию полного «витка» канала статора. Различие в количестве зубцов ротора и каналов статора приводит к образованию эксцентриситета между осью вращения ротора и осью статора. Шпиндельная секция в наиболее распространенном случае включает монолитный полый вал, соединённый посредством наддолотного переводника в нижней части с долотом, а с помощью муфты в верхней части - с шарниром. Соединение шпинделя и ротора может быть выполнено в виде гибкого вала или двухшарнирного карданного соединения. Его назначение – передача гидравлической силы ротора на подшипник шпинделя через преобразование планетарного движения ротора в соосное движение вала шпинделя. Чтобы уменьшит угол перекоса, разнесенные по длине шарниры соединяют посредством соединительной трубы по конусным поверхностям. Карданный вал присоединяют к валу шпинделя и ротору конусно- шлицевыми соединениями. В таком случае, даже низкая частота вращения позволяет передавать высокий момент силы, увеличивается продолжительность бесперебойной работы ЗД. Благодаря этому современный ВЗД может работать даже с высокопроизводительными долотами с маслонаполненными герметизированными опорами и в услових высоких нагрузок по осевой. Самой распространенной конструкцией шпинделя является его исполнение в виде монолитного полого вала, который соединяется с долотом с помощью переводника наддолотного (в нижней части), а с гибким валом 14 или шарниром – с помощью муфты (в верхней части). Именно соединение вала шпинделя и ротора ВЗД определяет надежность конструкции в целом. Секционный двигатель позволяет работать при перепадах давления в насадках используемых долот до 8 - 10 МПа. Схема винтовых забойных двигателей с полым ротором представлена на рисунке 3. Отличительной особенностью этих двигателей является выполнение полого ротора и соединение ротора с валом шпинделя через торсион, размещенный внутри ротора. Ротор изготавливается из трубной заготовки методом фрезерования или еще более перспективным методом штамповки из тонкостенной трубы. Рисунок 3 – Винтовой забойный двигатель типа Д2-195 с полым ротором. Разработки по совершенствованию конструкции ВЗД, такие как добавление в конструкцию торсиона и уменьшение массы ротора, позволили суммарно снизить габариты и массу двигателей на величину до 15 %, увеличить надежность работы узла соединения вала двигателя и ротора в 3-4 раза, повысить КПД двигателя и снизить вибрацию в 2 – 4 раза. В двигателях применяется простой и надежный переливной клапан манжетного типа. Основными производителями ВЗД в РФ являются [5-6]: Павловский машиностроительный завод им. Мясникова; Кунгурский машиностроительный завод; Производство Пф ВНИИБТ; Производство ВНИИБ. (Экспериментальный и Опытный заводы); 15 Пермский машиностроительный завод им. Ленина; Бердичевский машиностроительный завод. |