ваф. ГосЭкзамен. Технология бурения нефтяных и газовых скважин Породоразрушающие инструменты их назначение и классификация
 Скачать 301.02 Kb.
|
|
Технология бурения нефтяных и газовых скважин 1.Породоразрушающие инструменты их назначение и классификация. Породоразрушающий инструмент (ПРИ) предназначен для разрушения горной породы на забое при бурении скважины. По принципу разрушения породы ПРИ подразделяется на 3 группы: 1.Режуще-скалывающего действия – применяется для разбуривания вязких, пластичных и малоабразивных пород небольшой твердости; 2.Дробяще-скалывающего действия – применяется для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких; 3.Истирающе-режущего действия – применяется для бурения в породах средней твердости, а также при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже твердыми. По назначению ПРИ подразделяется: 1)Для бурения сплошным забоем (без отбора керна) – буровые долота; 2)Для бурения по кольцевому забою (с отбором керна) – бурголовки; 3)Для специальных работ в пробуренной скважине (выравнивание и расширение ствола) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня и т.д.). По конструктивному исполнению ПРИ делится на 3 группы: 1)Лопастной; 2)Шарошечный; 3)Секторный. По материалу породоразрушающих элементов ПРИ делится на 4 группы: 1)Со стальным вооружением; 2)С твердосплавным вооружением; 3)С алмазным вооружением; 4)С алмазно-твердосплавным вооружением. 2.Лопастные долота – назначение и конструкция. При бурении нефтяных и газовых скважин чаще всего применяют трехлопастные (3Л и 3ИР) и шестилопастные (6ИР) долота.. Лопастное долото 3Л состоит из корпуса, верхняя часть которого имеет ниппель с замковой резьбой для присоединения к бурильной колонне, и 3-х приваренных к корпусу долота лопастей, расположенных по отношению друг к другу под углом 1200. Для подвода бурового раствора к забою долото снабжено промывочными отверстиями, расположенными между лопастями. Лопасти выполнены заостренными и слегка наклонными к оси долота в направлении его вращения. В этой связи по принципу разрушения породы долота 3Л относят к долотам режуще-скалывающего действия, т.к. под влиянием нагрузки лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента скалывают ее. Долота 3Л предназначены для бурения в неабразивных мягких пластичных породах (тип М) и для бурения в неабразивных мягких породах с пропластками неабразивных пород средней твердости (тип МС). Для увеличения износостойкости долот их лопасти укрепляют (армируют) твердым сплавом. Долота 3Л выпускают как с гидромониторными насадками, так и без. 6ИР имеют 3 основные лопасти, предназначенные для разрушения породы на забое, и 3 дополнительные укороченные лопасти, калибрующие стенку скважины. Основные лопасти притуплены и сходятся на оси долота. Дополнительные лопасти также притуплены и расположены между основными лопастями. Эти долота относятся к типу С. Лопастные долота имеют ряд существенных недостатков: интенсивный износ лопастей в связи с непрерывным контактом режущих и калибрующих ствол скважины, кромок лопастей, долота с забоем и стенками скважины; сужение ствола скважины в процессе бурения из-за относительно быстрой потери диаметра долота; относительно высокий крутящий момент на вращение долота; неудовлетворительная центрируемость на забое, приводящая к интенсивному непроизвольному искривлению. 3.Шарошечные долота – назначение и конструкция. Шарошечное долото состоит из шарошек конической формы, которые вращаются вокруг собственной оси и оси долота. Эти долота наиболее широко используют при бурении нефтяных скважин, а также месторождений твердых полезных ископаемых. В наст. время в бурение 95 % объема проходки нефтяных скважин осуществляется шарошечными долотами. Шарошки долота снабжены фрезерованными зубцами, выполненными из тела шарошки, или вставками карбида вольфрама. Долота с фрезерованными зубцами используют при бурении мягких пород, а штыревые долота - средних и твердых горных пород. Существуют 3 типа шарошечных долот: 1)2хшарошечные долота, изготовляемые в наст. время только с фрезерованными зубцами, что ограничивает их применение для мягких пород; 2)3хшарошечные долота, которые изготовляют как с фрезерованными зубцами, так и с вставками из карбида вольфрама; 3)4хшарошечное долото, которое изготовляют только с фрезерованными зубцами и используют в наст. время для скважин большого диаметра. 3хшарошечное долото состоит из 3-х одинаковых по размеру шарошек и 3-х лап. 3 лапы сварены вместе и образуют цилиндрическую секцию, которая имеет резьбу для присоединения к бурильной колонне. В каждой лапе выполнено отверстие, диаметр которого может изменяться путем установки насадок различных диаметров. Насадки используют, чтобы создать сужение для получения высокой скорости истечения жидкости и эффективной очистки ствола скважины. Раствор, прокачиваемый через бурильную колонну, проходит через 3 насадки и в каждую насадку поступает треть потока. 4.Алмазные долота и долота ИСМ. Алмазные долота предназначены для разрушения истиранием неабразивных пород средней твердости и твёрдых. Алмазное долото состоит из стального корпуса с присоединительной замковой резьбой и фасонной алмазонесущей головки. Матрица разделена на секторы радиальными промывочными каналами, которые сообщаются с полостью в корпусе долота через промывочные отверстия. Алмазонесущую матрицу изготовляют методом прессования и спекания смеси специально подобранных порошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в пресс-форме по заданной схеме размещают кристаллики природных или синтетических алмазов. Диаметр алмазных долот на 2-3мм меньше диаметров шарошечных долот. Это вызвано созданием условий для перехода к бурению алмазными долотами после шарошечных, у которых, по мере износа уменьшается диаметр. Основными достоинствами алмазных долот являются хорошая центрируемость их на забое и формирование круглого забоя. Существенным недостатком алмазных долот является: крайне низкая механическая скорость бурения; алмазные долота имеют узкую область применения (исключаются абразивные породы); предъявляются повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины. Долота ИСМ предназначены для разрушения резанием и истиранием неабразивных пород мягких (М), перемежающихся по твердости (МС) и средней твердости (С). Эти долота имеют вооружение из сверхтвердого композиционного материала «Славутич», в состав которого входят мелкокристаллические алмазы и дробленный карбид вольфрама. Для оснащения долот применяют цилиндрические вставки диаметром 8-12мм. Существует 2 разновидности долот ИСМ по конструкции: лопастная и секторная. Лопастная разновидность аналогична по конструкции долоту 6ИР. Секторная разновидность долота состоит из стального корпуса, торцевая профильная поверхность которого, разделена на секторы радиальными промывочными каналами. Преимуществами долот ИСМ являются их значительная проходка на долото, достигающая нескольких сотен метров и относительно высокая рейсовая скорость. К недостаткам следует отнести узкую область применения (только в неабразивных порода М, МС и С) и высокий момент на вращение долота, ограничивающий применение забойных двигателей. 5.Долота типа PDC. Обладая высокой износостойкостью и работоспособностью, лопастные долота PDC обеспечивают кратное увеличение проходки за долбление, повышая при этом механическую скорость бурения. Простая, но достаточно прочная система крепления резца в сочетании с упрочнением поверхности наплавкой карбида вольфрама делают эти долота неповторимыми по эксплуатационным качествам и ремонтопригодности. Спиральная калибрующая поверхность улучшает качество очистки, уменьшает крутящий момент и сводит на нет завихрения долота. Наличие стабилизирующих элементов снижает вибрацию бурового инструмента, предотвращает излом резцов, улучшает технологичность управления по заданному курсу траектории ствола скважины. Типы долот по принципу разрушения горной породы: режущего действия, режуще-скалывающего действия, режуще-истирающего действия, комбинированного действия. Разработка новых форм и профилей лопастей ведёт к улучшению управляемости долотами при наклонно-направленном бурении. А разработки в области резцов PDC позволяют бурить все более твердые породы, интервалы с переслаиванием горных пород. Основной причиной износа буровых долот при эксплуатации является значительное повреждение долота при ударной нагрузке. Порода разрушается более эффективно при срезающем действии. Долота PDC разрушают породу в основном за счет именно этого свойства. Негативным эффектом является то, что чем больше породы удаляется за один оборот долота, тем больше требуется энергии. Избыточный крутящий момент на долоте и нестабильное направленное бурение - это основные причины порой неудовлетворительной работы долот PDС. К основным достоинствам PDC долот относится целый ряд параметров: отсутствие в их конструкции движущихся частей, высокая износостойкость, позволяющая обеспечивать высокие показатели проходки, низкая требуемая осевая нагрузка при высоких скоростях бурения. 6.Колонковое долото. Колонковое долото - долото для выбуривания подрезания, отрыва и подъёма на поверхность керна. Колонковое шарошечное долото представляет собой пустотелый цилиндр - корпус с вмонтированными в торце шарошками; в верхней части корпуса имеется резьба для соединения с бурильными трубами. Колонковое долото углубляет забой в виде кольцевой выработки, а остающийся цилиндрический целик породы поступает через центральное отверстие долота в керноприемную трубу, оснащенную в нижней части кернорвателем. Пробурив в заданном интервале ствол колонковым долотом, бурильную колонку с долотом и керноприемной трубой поднимают на дневную поверхность, при этом в момент «отрыва» долота от забоя кернорватель обрывает своими пружинами целик породы от забоя и удерживает его в керноприемной трубе до извлечения на поверхность. Если отбор керна производят в интервале, превышающем длину керноприемной трубы, а работоспособность одного колонкового долота достаточна для всего интервала отбора керна, то используют так называемую съемную грунтоноску, которую периодически, по мере её заполнения керном, извлекают на поверхность при помощи специального ловителя, спускаемого в полость бурильной колонны на канате. Таким же способом освобожденную от керна съемную грунтоноску опускают в скважину и устанавливают в колонковом долоте. Основными элементами всех долот являются: корпус, имеющий в верхней части коническую резьбу для присоединения к колонне бурильных труб или погружному двигателю; промывочные устройства для направления струй промывочного агента на забой; породоразрушающие элементы. 7.Расширители. Расширитель - буровой инструмент для обработки стенок скважин. Состоит из стального корпуса с размещёнными на нём породоразрушающими элементами. Для калибрования скважины по диаметру с целью предотвращения износа ПРИ при спуске на забой, а также стабилизации работы бурильной колонны, уменьшения вибрации инструмента и искривления скважины применяют алмазные и шарошечные расширители, диаметр которых на несколько десятых мм превышает основной ПРИ. В корпус алмазного расширители впаяны штабики с алмазами, расположенные по образующим или по кольцу; аналогичную конструкцию имеют твердосплавные расширители. Шарошечные расширители снабжены шарошками, размещёнными эксцентрично под углом 120°, что создаёт при вращении планетарный эффект и штыри шарошек оказывают на породу разрушающее действие. Для разбуривания скважины с увеличением её диаметра на 3-4мм по сравнению с ПРИ для предотвращения прихватов колонкового снаряда и снижения гидравлических сопротивлений применяют расширители с конической поверхностью, армированной алмазами, и снабжённые шарошками, расположенными под углом или образующими дополнительную ступень большего диаметра. Для предотвращения зажимов бурового инструмента и проработки ствола перед спуском обсадных колонн, расширения участка ствола в интервале водоносного ствола под гравийную обсыпку, расширения скважины при подземном бурении применяют расширители, обеспечивающие разбуривание скважины до следующего диаметра ПРИ или более (до 200-700мм). Такие расширители снабжены несколькими ярусами ступенчато расположенных шарошек или лопастями, армированными вставками из твёрдого сплава. Для расширения ствола под башмаками обсадной колонны созданы расширители, лопасти которых закреплены в корпусе шарнирно и раскрываются под действием осевой нагрузки, перепада давления или сил инерции. 8.Калибраторы и стабилизаторы. Калибраторы служат для выравнивания стенок скважины и устанавливаются непосредственно над долотом. Используются как лопастные калибраторы с прямыми (К), спиральными (КС) и наклонными лопастями (СТ), так и шарошечные. Диаметры калибратора и долота должны быть равны. Материал вооружения - твердый сплав (К, КС), алмазы (СТ), «Славутич» (КС). Стабилизатор – это устройство, предназначенное для борьбы с искривлением скважины, уменьшения интенсивности искривления и предотвращения прихватов от перепада давления. Фильтр служит для очистки бурового раствора от примесей, попавших в циркуляционную систему. Устанавливается фильтр между ведущей и бурильными трубами. Основной элемент фильтра - перфорированный патрубок, в котором задерживаются примеси и при очередном подъеме БК удаляются. Применение фильтра особенно необходимо при бурении с забойными гидравлическими двигателями. Обратный клапан устанавливают в верхней части бурильной колонны для предотвращения выброса пластового флюида через полость БК. Наддолотный амортизатор устанавливают в бурильной колонне между долотом и УБТ для гашения высокочастотных колебаний, возникающих при работе долота на забое скважины. Снижение вибрационных нагрузок приводит к увеличению ресурса работы бурильной колонны, повышению стойкости долота и позволяет поддерживать режим бурения. 9.Показатели работы долота. Выделяют следующие основные показатели эффективности бурения нефтяных и газовых скважин: проходка на долото, механическая и рейсовая скорости бурения. Проходка на долото Hд - определяет расходы долот на бурение скважины и потребность в них по площади и УБР в целом, число СПО, изнашивание подъемного оборудования, трудоемкость бурения, возможность некоторых осложнений. Проходка на долото в большей мере зависит от абразивности пород, стойкости долот, правильности их подбора, режимов бурения и критериев отработки долот. Механическая скорость (Vм): Vм = Hд / Тм, где Hд - проходка на долото, м; Тм - продолжительность механического разрушения горных пород на забое или время проходки интервалов, Vм - средняя скорость углубления забоя. Выделяют текущую (мгновенную) механическую скорость: Vм = dh / dt. При известных свойствах горных пород механическая скорость характеризует эффективность разрушения их, правильность подбора и отработки долот, способа бурения и режимных параметров, величину подведенной на забой мощности и ее использование. Если в одинаковых породах и интервалах одной скважины скорость ниже, чем в другой, надо улучшать режим. Изменение текущей механической скорости связано с изнашиванием долота, чередованием пород по твердости, изменением режимных параметров в процессе отработки долота, свидетельствует о целесообразности подъема долота. Рейсовая скорость: Vр = Hд / (Тм + Тсп), где: Тсп – продолжительность спуска и подъема долота, наращивания инструмента. Рейсовая скорость определяет темп углубления скважины, она показывает, что темп проходки ствола зависит не только от отработки долота, но и от объема и скорости выполнения СПО. Если долго работать изношенным долотом или поднимать долото преждевременно, то Vр снижается. Долото, поднятое при достижении максимума рейсовой скорости, обеспечивает наиболее быструю проходку ствола. Средняя рейсовая скорость по скважине выражается: Vр = Lс / (Тм + Тсп). 10.Оценка степени износа. Основными целями оценки износа долот являются: Достигнуть оптимальности при выборе типа долота; Помощь в предотвращении аварий; Определение пригодности долота к повторной отработке; Предложение оптимальных параметров бурения. Каждая из них в конечном счете служит для уменьшения общей стоимости бурения. Оценивание износа – важный элемент анализа работы долота. Правильный анализ работы включает в себя 3 момента: Предположительная отработка долота; Реальная отработка долота; Конечный износ долота. В начале 70х ассоциацией IADC было предложено оценка износа долот, состоящая из 3-х частей. Оценивание износа вооружения и опор долота было в 8 частях (1/8), что отражало степень износа или остаточную стойкость долота. Если вооружение долота было изношено на четверть, то она обозначалось как 2. Если опора проработала на 50% своей стойкости, то это отражалось как 4. И последний элемент – мера потери диаметра долота. В 1987 году ассоциацией IADC была предложена новая система оценки, состоящая из 8 характеристик, которая была усовершенствована в 1992 году. На данный момент она является стандартной системой оценки износа долот. Эти характеристики следующие: 1.Внутренние ряды; 2.Внешние ряды; 3.Основной тип износа; 4.Местоположение; 5.Износ опоры; 6.Износ по диаметру; 7.Другие типы износа; 8.Причина подъема. 11.Бурильная колонна и их элементы. Бурильная колонна (БК) соединяет долото с наземным оборудованием. БК предназначена для следующих целей: 1.Передачи вращения от ротора к долоту; 2.Восприятия реактивного момента забойного двигателя; 3.Подвода бурового раствора к ПРИ и забою скважины; 4.Создания нагрузки на долото; 5.Подъема и спуска долота; 6.Проведения вспомогательных работ. Бурильная колонна включает следующие основные элементы сверху вниз: рабочую трубу, бурильные трубы, УБТ. Кроме названных выше элементов в компоновку БК могут включаться калибраторы, центраторы, стабилизаторы, расширители, фильтры, амортизаторы и др. спец. оборудование. Рабочая труба, обычно квадратного сечения, служит для передачи вращения от ротора к бурильной колонне. Она фиксируется в отверстии ротора квадратными клиньями и вкладышами. В связи с этим рабочая труба вращается совместно со стволом ротора и одновременно может перемещаться в осевом направлении по мере углубления забоя скважины. Соединяется рабочая труба при помощи нижнего переводника с верхней трубой бурильной колонны, а при помощи верхнего переводника - с вращающимся стволом вертлюга. Длина ведущей трубы составляет 13-14м. Бурильная колонна может компоноваться из труб следующих конструкций: с высаженными внутрь концами; с высаженными наружу концами; с приваренными соединительными концами. Трубы 1-ых 2-х конструкций имеют наружную мелкую трубную резьбу и соединяются между собой при помощи бурильных замков или муфт. Трубы 2-ой конструкции имеют по сравнению с трубами 1-ой конструкции улучшенную гидравлическую характеристику. Бурильные трубы с приваренными соединительными концами имеют равнопроходной канал и соединяются друг с другом при помощи крупной замковой резьбы. Для соединения бурильных труб используют замки 3-х типов: 1.ЗШ с диаметром канала, близкого к диаметру канала бурильных труб с высаженными внутрь концами; 2.ЗН с диаметром канала существенно меньшим диаметра канала труб; 3.ЗУ с увеличенным диаметром канала. Замки 1-ых 2-х типов используют для бурильных труб с высаженными внутрь концами, а замки последнего типа - для труб с высаженными наружу концами. Важным элементом бурильной колонны являются УБТ. Oдна из главных функций УБТ - создавать осевую нагрузку на долото, не допуская изгиба бурильной колонны. УБТ устанавливают непосредственно над долотом или погруженным двигателем. |