ванкорское месторождение. Выбор разрушающего инструмента для вскрытия терригенных отложений содержит 87 страниц, 34 рисунка, 13 таблиц, использованных источников 39
 Скачать 2.19 Mb.
|
|
Классификация ВНИИБТ Алмазный буровой инструмент (АБИ) в соответствии с требованиями ГОСТ 26474–85 изготавливается пяти типов [1]: М – для бурения мягких пород; МС – для бурения мягких пород с пропластками пород средней твердости; С – для бурения пород средней твердости; СТ – для бурения пород средней твердости с пропластками твердых пород; Т – для бурения твердых пород. а) б) в) г) 47 По конструктивному исполнению алмазный породоразрушающий инструмент подразделяются на инструмент матричного вида и со стальным корпусом. В долотах матричного вида природные, синтетические и другие породоразрушающие элементы закреплены в износостойком матричном слое способом порошковой металлургии. В долотах со стальным корпусом породоразрушающие элементы из композиционного материала, изготовленного на основе природных, синтетических алмазов и алмазно-твердосплавных материалов в виде пластин и цилиндров, закреплены в стальном корпусе с помощью пайки или запрессовки. В шифре АБИ матричного вида, оснащенных природными и синтетическими алмазами, используются следующие обозначения: первая буква указывает вид инструмента (Д– долото алмазное для бурения сплошным забоем; К – бурильная головка алмазная для бурения с отбором керна, используемая совместно с керноотборным инструментом); вторая (третья и четвертая) буква указывает на конструктивные особенности и способ армирования (Р – мелкие торовидные выступы на торцевой рабочей поверхности, Т – ступенчатая форма рабочей торцевой поверхности, И – импрегнированный способ армирования, АП – алмазная пластина, В – зарезное долото, С – синтетические алмазы, Ф – долотофрезер для прорезания окна в обсадной колонне); цифры обозначают номинальный диаметр долота, наружный и внутренний диаметр бурильной головки (мм); буквы после размера указывают тип АБИ, цифры – модификацию. В шифре АБИ со стальным корпусом используются следующие обозначения: буква У указывает, что изготовителем является Дрогобычский долотный завод; обозначение ИСМ (Институт сверхтвердых материалов) используется в долотах, изготовителем которых является Опытный завод ИСМ АН Украины; 48 цифры обозначают основные размеры инструментов (номинальный диаметр долота, наружный и внутренний диаметры бурильной головки); буква после цифр обозначает тип АБИ; дополнительные буквы в шифре инструмента обозначают: А – долото зарезное, РГ – режущее гидромониторное. В настоящее время изготовлением долот алмазных и лопастных с твердосплавной износостойкой матрицей, оснащенных природными и синтетическими поликристаллическими алмазами типа СВС-П, а также алмазно-твердосплавными пластинами и резцами типа АПТ и АТР, поликристаллическими синтетическими термостойкими алмазами типа ПСТА и комбинированным вооружением типа АТП+ПСТА рабочих поверхностей, занимаются ряд российских предприятий, обзор которых приведен далее в дипломной работе. 5.4 Классификация IADC Код состоит из четырех символов, обозначающих тип корпуса долота, тип горных пород, режущую структуру, тип профиля долота. Первый символ – буквенный, остальные – цифровые (таблица 3.1). Первый буквенный символ кода обозначает материал корпуса долота (S, M, D). Второй цифровой символ кода (1-8) характеризует тип горных пород, для которых предназначено долото. Категория 5 отсутствует. Третий цифровой символ кода характеризует режущую структуру (диаметр, тип резцов). Для горных пород категорий 1-4 долота оснащаются PDC резцами диаметром 8-19 мм, для горных пород категорий 6-8 – натуральными, термостойкими поликристаллическими алмазами, их комбинацией и импрегнированными алмазами. Четвертый цифрой символ кода – профиль долота. [12] 49 Таблица 3.1 – Классификация долот PDC по IADC 1 2 3 4 Тип корпуса Тип горных пород Диаметр резцов PDC Тип профиля 1 2 3 4 1 2 3 4 S – стальной M – матричный D – алмазный Очень мягкие 1 - 19 13 8 К ор от ки й «р ыби й хво ст» К ор от ки й пр офи ль С редн ий п ро фил ь Д ли нн ы й пр офи ль Мягкие 2 Средне-мягкие 3 Средние 4 Отсутствует 5 Тип алмазов Средне-твердые 6 Нату рал ьн ые а лм аз ы Т ер м ич ес ки сто йк ие (T SP ) К ом би нац ия - Твердые 7 Очень твердые 8 - - Им пр егн и ро ван ные ал м аз ы 5.5 Гидравлика долот Для создания эффективной гидравлики при бурении долотами PDC необходимо: обеспечить правильное расположение насадок (способствует быстрому выносу шлама из-под долота); избегать создания зон рециркуляции (рисунок 3.8); увеличить скорость потока вдоль траектории выноса шлама; Установка насадок в долото производится только после гидравлического расчета с текущими режимами и параметрами бурения. По возможности необходимо устанавливать на долото насадки одного размера (симметричное расположение) 50 Вариант A – наличие зон рециркуляции – слабая очистка Вариант B – увеличение скорости потока – хорошая очистка Рисунок 3.8 – CFD моделирование выноса шлама Если используются насадки разного размера, то в обязательном порядке проверяется разницу между насадками большого размера и малого размера согласно таблице 3.2. Насадки самого большого размера следует устанавливать в центре долота. Таблица 5.5.1 – Допустимые комбинации размеров насадок в долотах PDC Наименьший размер насадок на долоте Допустимый размер насадок в комбинации 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 8 9 10, 11 11, 12 12, 13 13, 14 14, 15 15, 16 16, 18 18 20, 22 51 5.6 Технология изготовления матричных долот PDC Производственный процесс выпуска долот PDC складывается из нескольких этапов, на каждом из которых проводится контроль качества. Первый этап – фрезерование графитовой формы. Выполняется пятикоординатным станком с ЧПУ в соответствии с загруженными чертежами. Второй этап подготовка графитовой формы. В форму закладываются имитаторы резцов и промывочных каналов. Третий этап – установка стального сердечника и заполнение формы карбид вольфрамовым порошком и связующим металлом. Наиболее ответственный этап, так как форма должна быть заполнена полностью и в правильном соотношении. Четвертый этап – выпекание формы в печи. Нагрев и отключение печи происходит в автоматическом режиме. Пятый этап – выгрузка формы из печи и еѐ охлаждение (с закаливанием). Шестой этап – отделение графита и чистка долота. Форма раскалывается и вручную производится чистка гнѐзд и промывочных каналов от остатков имитаторов. Седьмой этап – подготовка долота к пайке резцов. Производится пескоструйная очистка долота и нанесение специального флюса для пайки. Восьмой этап – пайка резцов. Ручная операция с постоянной регулировкой пламени и термоконтролем в процессе пайки. Девятый этап – сварка ловильной шейки. Производится вручную дуговой сваркой под флюсом. Десятый этап – маркировка долота. В соответствии с процедурой на долото наносятся серийный номер, диаметр и тип долота. В процессе операций, связанных с нагревом или охлаждением, все кривые записываются для анализа и контроля качества. 52 5.7 Технология изготовления стальных долот PDC При производстве стальных долот большая часть этапов, требуемых для изготовления долот с матричным корпусом, теряет актуальность, так как нет необходимости готовить графитовую форму, наполнять еѐ и ждать, пока она прогреется в печи. Первый этап – фрезерование корпуса долота. Производится на пятикоординатном станке с ЧПУ. Второй этап – пайка резцов. Аналогично производству матричных долот Третий этап – сварка ловильной шейки (может пропускаться, если фрезеруется еще на первом этапе) Четвертый этап – наплавка твердосплавного покрытия для защиты лопастей. Пятый этап – маркировка. Так же, как и при производстве матричных долот PDC, каждый этап сопровождается тщательным контролем качества. 5.8 Сравнение стальных и матричных долот Одно из ключевых преимуществ матричного долота перед стальным – большая устойчивость к эрозионному воздействию, а значит возникает меньше проблем при отсутствии хорошей системы очистки. В добавок к этому, износостойкость при бурении абразивных пород выше, чем у долот со стальным корпусом, в связи с чем может быть предоставлен более широкий спектр вариантов защиты калибрующей поверхности. Ввиду специфики технологического процесса появляется больше возможностей для модификации конструкции ввиду (место установки насадок может быть там, где нужно конструктору), а также легче внести изменения во время изготовления (возможность быстро подгонять конструкцию под требуемые нужды). 53 Однако, весьма значимый недостаток долот в матричном исполнении – меньшая прочность на растяжение и изгиб, что может привести к слому лопастей. Тем не менее возможны варианты решения: использование стали для усиления матричного корпуса; устранение в конструкциях матричных долот острых граней. Еще одним недостатком являются небольшие отличия долот одного типа и диаметра в процессе производства из-за присутствия ручного труда и возможности усушки пре-форм долот. Пути решения этого: совершенствование компьютерного программного обеспечения при изготовлении пре-форм с целью снижения доли ручного труда; совершенствование процесса производства. Преимуществами же стальных долот перед матричными являются: большая прочность корпуса на растяжение и удар по сравнению с матричным корпусом, следовательно, меньше вероятность слома лопастей. Относительная инертность к глинистому материалу, что уменьшает адгезию глин на поверхности долота и снижает вероятность сальникообразования. Лучшая прочность и качество припоя резцов на стальном корпусе долота, а значит меньшая доля потерь резцов по причине разрушения пайки крепления. Точность повторного воспроизведения типовой конструкции при производстве вследствие полностью автоматизированного процесса изготовления корпуса без участия человека – долота одного типа и размера точно воспроизводят друг друга. К сожалению, долота со стальным корпусом подвержены эрозионному износу, и, в настоящее время, единственный способ нивелировать этот недостаток – наплавка твердого сплава. Кроме того, для разработки новой конструкции требуется больше времени (необходимо 3-D моделирование и CNC программирование). Решение – использование последних разработок и постоянная модернизация программного обеспечения в области проектирования. 54 Оба типа долота имеют как преимущества, так и недостатки, которые предопределяют выбор исполнения для конкретных условий бурения и режимов работы. И в некоторых случаях преимущества могут перевешивать недостатки, а иногда – наоборот: недостаток может быть критичным в данных условиях бурения и не позволит эффективно отработать долото. 5.9 Описание износа Методика описания износа долот PDC в целом соответствует методике описания износа шарошечных долот, раскрытой в подразделе 2.8, а форма соответствует таблице 2.4. Поэтому далее будут освещены только различия. Позиции 1: (I) и 2: (O) описывают состояние внутренних и внешних резцов, причем внутренними считаются резцы, расположенные не дальше 2/3 радиуса долота, остальные – внешние. Позиция 3: (D) – характеристика износа. В дополнение к таблице 2.5 может применяться код износа DL – отслоение алмазной пластины. Позиция 4: (L) – местоположение износа. Значения для долот PDC: C – внутренний конус; N – носовая часть; S – плечо; G – калибрующая поверхность; A – по всему долоту. Позиция 5: (B) – подшипниковые узлы. Для долот с фиксированными алмазосодержащими резцами не применяется – значение X. Позиция 6: (G) – потеря диаметра.. Износ фиксируется в 1/16 долях дюйма и составляет величину зазора между калибрующим кольцом и калибрующими резцами. Позиция 7: (О) – другие характеристики износа. Аналогично позиции 3. Позиция 8: (R) – причина подъѐма долота. Коды соответствуют указанным ранее в таблице 2.6. 55 6 Порядок подбора долот для конкретных условий бурения 6.1 Анализ литологии разреза Первым шагом на пути подбора долот для конкретных условий бурения является анализ стратиграфии и литологии ожидаемого разреза. Интервалы бурения, в которых обеспечиваются примерно одинаковые геологические и технологические условия бурения, называются пачками примерно одинаковой буримости горных пород или режимными пачками. Буримость горных пород определяется совокупностью геологических и технико-технологических факторов и обусловливает затраты времени и средств на проходку соответствующего интервала горных пород. Основными геологическими факторами являются не только литологический состав, но и строение, прочностные, упругие, пластические и абразивные свойства пород и пластовое давление, приведенные в таблице 4.1. Основными технико-технологическими факторами являются буровая установка, тип, класс, способ вращения долота и режим его работы. При количественном описании разрез месторождения характеризуется твердостью, абразивностью и сплошностью слагающих его пород. Сплошность горной породы косвенно характеризует ее пористость и проницаемость по способности стенок скважины пропускать через себя буровые растворы. Выделяют четыре категории сплошности [28]: 1) пропускает промывочную жидкость вместе с обломками (шламом) выбуренной горной породы; 2) пропускает как дисперсионную среду, так и дисперсную фазу (коллоидные частицы) бурового раствора; 3) пропускает только дисперсионную среду бурового раствора; 4) не пропускает через себя жидкости и газы и не передает давление. 56 Так как твердость литологически однотипных горных пород увеличивается с уменьшением пористости, а, следовательно, и с увеличением сплошности в категориях, то это дает основание при разделении разреза на пачки не использовать характеристики сплошности горной породы. Механическая скорость проходки и износ долот косвенно отражают как сопротивление горных пород разрушению, так и их абразивность. Это обусловливает широкое применение показателей работы сопоставимых по типу и классу породоразрушающего инструмента в качестве характеристик буримости. Анализируя разрез, также необходимо учитывать интервалы возможных осложнений (поглощений, проявлений, осыпей и обвалов и т.д.), учитывать наличие окремнений, частых переслаиваний пород с различной буримостью, трапповых интрузий. Таблица 6.1.1 – Пример описания физико-механических свойств горных пород Наз ван ие сви ты Ин тер ва л (м ) Го рн ая по ро да К атего ри я по ро д п о К оэ фф . Пу ас со на от вер х. до н из. К ратк ое наз ван ие % в и нт ер ва ле Т вер до сти Абр аз ив но сти Пр ом кл ас си фи кац ии Четвертичные отложения 0 180 пески 100 1 0 Мягкие 0 супеси суглинки глины Лагернотомская 180 240 пески 80 2 6 Мягкие 0 глины 20 Новомихайловская 240 300 пески 70 2 6 Мягкие 0 глины 30 Атлымская 300 400 пески 100 2 6 Мягкие 0 57 6.2 Анализ условий работы и режимов бурения Режим бурения – это сочетание факторов, определяющих скорость и стоимость проходки конкретного интервала горных пород, выделенного как режимная пачка. Режимная пачка, как уже упоминалось выше – это непрерывный интервал бурения, в котором геолого-технологические условия принимаются постоянными, независящими от глубины залегания горных пород в пределах пачки. Такие интервалы именуются также пачками одинаковой буримости горных пород. Однако, с распространением долот PDC это понятие утрачивает свою актуальность, так как зачастую долотом с фиксированными алмазосодержащими резцами за один рейс удается пробурить несколько таких «пачек». Основными факторами, определяющими режим вращательного бурения, являются: 1) тип и класс породоразрушающего инструмента; 2) режим работы породоразрушающего инструмента; 3) способ вращения породоразрушающего инструмента. В рамках выпускной квалификационной работы мы реализовываем первый фактор, подразумевая известность нам остальных двух. Режим бурения, обеспечивающий получение наилучших технико- экономических показателей при данных условиях бурения, называется оптимальным. Также обозначаются «специальные» режимы бурения при которых решаются задачи: проводка скважины через поглощающие пласты, обеспечение минимального искривления скважины, максимального выхода керна, качественного вскрытия продуктивных пластов и прочее. Каждый параметр режима бурения по-своему влияет на эффективность разрушения горных пород, причем влияние одного параметра может зависеть от уровня другого, т.е. может наблюдаться их взаимное влияние. 58 При вращательном бурении режим работы долота принято задавать следующими параметрами: - осевой нагрузкой на долото, кН (тс); - частотой вращения долота, об/ мин; - количеством промывочной жидкости (или воздуха), подаваемых на забой для выноса разрушенной горной породы и охлаждения инструмента, м 3 /с. На взаимодействие долота с горными породами оказывают существенное влияние состав и параметры буровых растворов, которые проектируются, главным образом, в соответствии с геологическими условиями проводки скважин. Влияние свойств бурового раствора на показатель механической скорости представлено на рисунке 6.2.1. Рисунок 6.2.1 – Влияние параметров бурового раствора на механическую скорость бурения Вязкость Водоотдача Содержание нефти Твердая фаза Плотность Ув ел ич ен ие ме х. ск ор ос ти Увеличение параметра 59 При нагружении долота осевой нагрузкой создается необходимое для разрушения горной породы напряженное состояние и осуществляется отбор энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного разрушения породы по всему забою. Следует отметить, что долота с фиксированными алмазосодержащими резцами эксплуатируются при нагрузках на порядок меньших, чем шарошечные долота. Что касается частоты вращения, то обычно выделяют три режима работы: - низкооборотное (роторное) бурение – n д ≤90 об/мин; - при средних частотах вращения, в пределах которых выделяют два диапазона - 90 < n д ≤ 250 об/мин; 250 < n д < 450 об/ мин; эти диапазоны реализуются при вращении долот винтовыми забойными двигателями, редукторными турбобурами; - высокооборотное бурение – n д ≥ 450 об/ мин; реализуется при бурении с безредукторными турбобурами. Обеспечивать требуемую частоту вращения (то есть работу гидравлических забойных двигателей), а также полное и своевременное удаление шлама с забоя и из скважины должна промывка скважины. Общая скорость вращения долота равна сумме скоростей вращения ротора и забойного двигателя. Скорость вращения при бурении с долотом PDC не ограничена при достаточном уровне расхода насосов для обеспечения качественного выноса шлама и охлаждения долота. Однако, при анализе планируемых режимов необходимо помнить, что: - не следует разбуривать абразивные породы с высокой скоростью вращения во избежание быстрого абразивного износа; - скорость вращения может быть лимитирована из-за ограничений, связанных с бурильной колонной или приводом; 60 -при некоторых скоростях вращения бурильная колонна может начать резонировать (высокий уровень вибрации), что может отрицательно сказаться на состоянии долота; - разбуривание твердых пород с высокой скоростью вращения может сопровождаться снижением скорости проходки из-за неспособности вооружения врезаться в породу; - скорость вращения, обеспечивающая максимальную скорость проходки без возникновения осложнений, с большой долей вероятности является оптимальной. Тогда как скорость вращения – прямой фактор эффективности отработки долот, то крутящий момент – это показатель работы: - высокий крутящий момент на долото PDC: вероятно, что долото зарывается или, при низкой скорости проходки, крутящий момент создается КНБК, а не долотом; - низкий крутящий момент на долото PDC: вероятно, что долото проскальзывает в твердой породе; вооружение может быть изношено или на долоте образовался сальник; - средний крутящий момент на шарошечное долото: вероятно, что долото зарывается; - высокий крутящий момент на шарошечное долото: возможно заклинивание шарошек; в таком случае крутящий момент будет снижаться по мере износа вставок/зубьев; - низкий крутящий момент, шарошечное долото: износ вооружения или образование сальника. Указатель крутящего момента может быть оптимальным поверхностным средством измерения для осуществления бурения, так как показание крутящего момента в мягких породах может говорить о нахождении долота на забое еще до того, как это покажет индикатор нагрузки на долото. Крутящий момент считается слишком высоким, когда скорость вращения по поверхностному указателю начинает уменьшаться. Необходимо помнить, 61 что слишком высокий крутящий момент может вызвать заклинивание забойного двигателя, стола ротора или верхнего привода. При бурении в однородных пластах показание крутящего момента должно быть постоянным. В переслаивающихся же пластах происходит изменение крутящего момента при переходе долота и/или КНБК между слоями с разной прочностью и буримостью. Другим фактором эффективной работы породоразрущающего инструмента является величина расхода бурового раствора. Расход, прежде всего, существенно влияет на очистку скважины –скважина очищается лучше при высоком расходе, чем при низком, поскольку первый обеспечивает увеличенную скорость потока в кольцевом пространстве и более эффективный вынос бурового шлама на поверхность Расход бурового раствора существенно влияет на очистку долота. Высокий расход обуславливает подачу большей гидравлической мощности на долото по сравнению с низким расходом, что улучшает его очистку. Увеличение расхода на винтовом забойном двигателе повышает обеспечиваемую им скорость вращения. Этот аспект требует тщательного рассмотрения, так как от него в большой степени зависят показатели бурения. Увеличение скорости работы ВЗД в чистых глинах вызывает увеличение скорости вращения долота и мгновенное повышение скорости проходки без повреждения вооружения или иных проблем. Если же увеличение скорости вращения происходит в твердых абразивных песчаниках, скорость проходки мгновенно увеличится, тем не менее, чем выше скорость вращения, тем сильнее износ вооружения долота, что в конечном итоге приведет к снижению скорости проходки и сокращению наработки на долото. Увеличение скорости вращения забойного двигателя и, следовательно, долота может изменить направление движения КНБК (в большей степени в вертикальной плоскости, чем в горизонтальной), поэтому необходимо найти баланс между мгновенной скоростью проходки и корректировкой направления. 62 Подача бурового раствора с высоким расходом может вызвать повреждение пласта, особенно сильнотрещиноватого, таким образом в некоторых случаях необходимо избегать чрезмерных расходов. На практике величина расхода бурового раствора предварительно подбирается из следующих трех условий (из них принимается наибольший): 1) из условия очистки забоя; 2) из условия подъема шлама в кольцевом зазоре между бурильными трубами и стенкой скважины; 3) из условия обеспечения работы гидравлического забойного двигателя определяется расход. Кроме того, показатели бурения напрямую зависят от компоновки низа бурильной колонны (КНБК). При добавлении забойного двигателя (ВЗД или турбобур) можно существенно повысить скорость проходки, а использование стабилизаторов ограничивает возможность падения, прихвата или проворачивания бурильной колонны. Роторная управляемая система способна обеспечить более точный контроль при наклонно-направленном бурении по сравнению с забойным двигателем, в частности, при проходке скважин с увеличенным отходом забоя от вертикали, в случаях маловероятного дифференциального прихвата КНБК и т.д. Несоответствующее условиям бурения оборудование системы очистки бурового раствора (удаления твердой фазы) может стать причиной осложнений, влияющих на работу долот: - неэффективность или недостаточное количество вибросит может ограничить скорость удаления шлама из бурового раствора, что, в свою очередь, ограничит скорость проходки; - в случае недостаточного удаления твердой фазы из бурового раствора он становится крайне эрозионным, сокращая наработку на долота, что особенно критично для PDC долот в стальном корпусе; |