header.png

Обществом инженеров нефтегазовой промышленности SPE в сотрудничестве в журналом «Инженерная практика» публикует обзоры материалов мероприятий SPE. Для обзоров были выбраны ключевые технические презентации, содержание которых может представлять интерес для российского читателя, включая такие темы, как подбор жидкостей для бурения и заканчивания скважин, наклонно-направленное бурение, измерения в процессе бурения, бурение с контролем давления, цементирование, утилизация отходов бурения, за авторством специалистов ведущих сервисных компаний и компаний-операторов. Полные тексты соответствующих материалов SPE вы можете найти в онлайн-библиотеке www.OnePetro.org.

Предлагаем Вам ознакомиться с кратким содержанием обзора публикации на тему:

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАВЕДЕННОЙ ВИБРАЦИИ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ И НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОМ БУРЕНИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ ПРОХОДКИ И БОРЬБЫ С ПОДКЛИНИВАНИЕМ-ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЕМ КНБК

Настоящая статья написана главным редактором журнала «Инженерная практика» Александром Долгопольским в качестве краткого обзора публикации IADC/SPE 168034 'Drilling With Induced Vibrations Improves ROP and Mitigates Stick/Slip in Vertical and Directional Wells'. Данная публикация была подготовлена J.R. Clausen, A.E. Schen, I. Forster, J. Prill, R. Gee (National Oilwell Varco) для Конференции по бурению Международной ассоциации буровых подрядчиков и Общества инженеров нефтегазовой промышленности (IADC/SPE), проведенной 4–6 марта 2014 года в г. Форт-Уэрт, США. Публикация не рецензировалась. Прочитать абстракт на английском языке и скачать статью можно здесь.
Как правило, вибрация бурильной колонны или ее элементов воспринимается как очевидное зло, с которым необходимо бороться. Принимая этот постулат, авторы материала делают оговорку, что вибрация вибрации рознь. И если поперечные вибрации КНБК при бурении, действительно, приводят к преждевременному износу долота и другим проблемам, то с продольными вибрациями дело обстоит иначе.
Основываясь на ряде ранее проведенных коллегами исследований и расчетов (Forster and Grant, 2012), авторы заключают, что теоретически эффективность бурения КНБК, способной передавать переменную нагрузку на забой, при прочих равных условиях в любом случае будет выше. Статическое трение сменится динамическим, вследствие чего требуемая нагрузка на долото в обычных условиях будет ощутимо меньше, а передача веса колонны на долото при этом улучшится.
Проведенные ранее исследования, впрочем, относились прежде всего к повышению эффективности ловильных операций. В частности, было отмечено, что возбуждение продольной вибрации, особенно в случае вхождения инструмента в состояние резонанса, значительно облегчает задачу извлечения прихваченной трубы или компоновки.
КОНСТРУКЦИЯ СИСТЕМЫ
Авторы описывают скважинную систему возбуждения продольных вибраций в процессе бурения следующим образом. Во-первых, в КНБК включается возбудитель продольных вибраций (ВПВ) — инструмент, создающий продольные вибрации в заданном диапазоне частот. При этом системе КНБК — долото отводится роль динамического поглотителя продольной вибрации, частота резонанса которого подстраивается под частоту ВПВ посредством подбора веса и жесткости. В результате, «поглотитель вибрации» активизируется при достижении наводимой продольной вибрацией частоты резонанса. Таким образом, вибрация оказывает максимальное воздействие на КНБК и колонну.

Рис. 1.1. Конструкция возбудителя продольных вибраций3.1.png

Принцип работы ВПВ заключается в том, что посредством входящей в его состав стандартной винтовой рабочей пары инструмент с высокой скоростью открывает и закрывает клапан, в результате чего создаются импульсы давления. Импульсы передаются на шток амортизатора, ритмичное срабатывание которого и создает продольные вибрации заданной частоты. При этом рабочая частота ВПВ пропорциональна расходу промывочной жидкости. Инструмент выпускается в габаритах от 42,3 до 203,2 мм (от 1–11/16 до 8'').
Исследование воздействия продольных и торсионных вибраций на процесс резания отдельно взятого резца PDC показало повышение эффективности на 24–58% при разбуривании известняка, песчаника и гранита.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ — МСП
Полномасштабные лабораторные испытания ВПВ авторы провели на базе лабораторного комплекса Sandia National Laboratories (США). Для испытаний использовалась буровая установка с сервогидравлическим устройством для создания продольных вибраций частотой до 90 Гц (рис. 1.2). Для разбуривания гранита Sierra White неограниченной прочности на сжатие около 193,1 МПа (28000 psi) в эксперименте использовали четырехлопастное долото PDC диаметром 82,55 мм (3,25 дюйма).
Рис. 1.2. Экспериментальная установка для бурения твердых пород с программируемой продольной вибрацией, Sandia National Labs

3.2.png

Рис. 1.3. Типичная динамика продольных вибраций

3.3.png

На рисунке 1.3 показана типичная динамика распространения вибрационных волн при частоте импульсов 10 Герц. При этом авторы обращают внимание на то, что вибрационное воздействие при разных скоростях вращения колонны давало разные результаты, хотя и во всех случаях положительные. Наибольшего прироста механической скорости проходки (МСП) удалось добиться при частоте вибрации около 7 Гц и скорости вращения колонны (СВК) 135 об./минуту. Авторы связывают это обстоятельство с тем, что с повышением СВК глубина резания (ГР) резцов долота PDC про порционально уменьшается и амплитуда продольной вибрации начинает составлять значимую долю от этого значения. Малая ГР была также обусловлена тем, что в эксперименте моделировалось разбуривание достаточно твердой породы при относительно малой создаваемой гидравлически нагрузке на долото. В этой связи авторы предположили, что аналогичное вибрационное воздействие при разбуривании более мягких пород с более высокой базовой МСП даст лучшие результаты.
Кроме того, авторы отмечают, что с повышением частоты наведенной вибрации ее амплитуда пропорционально уменьшается, тогда как последняя играет важную роль в повышении МСП. В свою очередь, снижение амплитуды при повышении частоты вибраций связано с необходимостью более мощного динамического воздействия на систему, реализовать которое представляется затруднительным как лабораторных, так и в скважинных условиях.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ — "ПОДКЛИНКИ-ПРОВОРОТЫ"
Объектом другого лабораторного исследования (Forster, 2011), на которое также ссылаются авторы материала, стало влияние наведенной продольной вибрации на подклинки-провороты бурильной колонны. После этапа математического моделирования исследователи построили миниатюрную экспериментальную буровую установку, на которой смоделировали условия возникновения подклинок-прихватов при скорости вращения вала верхнего привода 100–150 об./мин и осевой нагрузке на долото (ННД) в 5 ньютон.
Авторы указывают на то, что при возникновении подклинок-проворотов скорость вращения долота (Vд) может в конкретный момент времени в разы отличаться от скорости вращения вала верхнего привода (Vпр). Это объясняется попеременным торсионным скручиванием и распрямлением колонны. И именно это явление должно было нивелироваться воздействием продольных вибраций.

Рис. 1.4. Зависимость между частотой вибрации и приростом МСП3.4.png

Рис. 1.5. Влияние продольной вибрации частотой 15 Гц на подклинки-провороты бурильной колонны3.5.png

Как показывают результаты эксперимента, воздействие продольных вибраций частотой 15 Гц действительно позволило кратно уменьшить разброс значений скорости вращения долота — показатель интенсивности подклинок-проворотов (рис. 1.5).
Дальнейшие испытания показали, что максимального эффекта удается добиться при достижении резонанса на долоте. В этом случае основная доля энергии вибраций передается именно долоту и КНБК и лишь малая часть — распространяется по колонне до поверхности.

Рис. 1.6. Расчет распространения вибрации3.6.png

ОПЫТНО-ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
С целью подтверждения теоретических расчетов и лабораторных испытаний на практике авторы реализовали серию опытно-промысловых испытаний (ОПИ) с тремя КНБК разных конфигураций.
Работы проводились на испытательном полигоне Catoosa (Owasso, штат Оклахома), где прежде на нескольких скважинах испытывались различные сочетания элементов КНБК. Таким образом, проведенные ранее испытания могли быть использованы в качестве базы для сравнения. Именно с учетом этой задачи для испытания вибрационного воздействия авторы использовали точно такие же КНБК, скорости вращения долот, нагрузки на долото и другие параметры, изменяя лишь расположение ВПВ и частоту наведенных вибраций. Нагрузка на долото при бурении предыдущих скважин в среднем составляла 6,8–7,7 тонн (15000-17000 psi).
Наиболее показательным стало испытание компоновки №3. КНБК включала шестилопастное долото PDC диаметром 215,9 мм (8,5'') с суммарным сечением промывочных отверстий (FTA) 516 мм2 (0,8 кв. дюймов); прибор для измерений в процессе бурения (EMS, National OilWell) диаметром 165,1 мм (6,5''); амортизатор; возбудитель продольных колебаний диаметром 165,1 мм (6,5''); прямой винтовой забойный двигатель диаметром 158,7 мм (6,25'') с заходностью 7/8, с числом шагов статора 2,9; центратор диаметром 212,7 мм (8-3/8''); и 10 УБТ диаметром 158,7 мм (6,25''). Компоновку спускали на бурильной трубе диаметром 114, мм (4,5''). Расход промывочной жидкости составлял 1500–2000 л/минуту.
Включенный в компоновку прибор EMS обеспечивал получение забойных данных о фактической нагрузке на долото, латеральном и продольном ускорении, скорости вращения и крутящем моменте с частотой замеров 800 Герц. Механическую скорость проходки замеряли на поверхности с частотой 1 Герц.
Доломиты с включениями кремнистых сланцев, на которых испытывалась КНБК, характеризуются прочностью на сжатие в диапазоне 131,0–179,3 Мпа (19000–26000 psi) и приобрели печальную известность под названием Арбакл (Arbuckle). После прохождения небольшого 80-метрового интервала этой породы при бурении предыдущих скважин у долот PDC обнаруживались повреждения как минимум трех резцов плечевой зоны.
Перед началом испытаний авторы провели математическое моделирование для определения предполагаемой частоты резонанса. Оптимальный диапазон пришелся на 14–16 Гц (рис. 1.6).

Рис. 1.7. Динамика параметров бурения для КНБК №33.7.png

Рис. 1.8. Зависимость средней МСП от частоты вибрации3.8.png

Рис. 1.9. Состояние долота после бурения

3.9.png

Как показали испытания, в случае этой компоновки оптимальная частота возбуждения вибрации оказалась относительно низкой. При этом оптимальная точка была выражена гораздо более отчетливо, а повышение МСП в породе Арбакл достигло 63%. На рис. 1.7 мы видим динамику основных показателей и их колебаний в точке максимальной МСП. Опыт также подтвердил результаты математического моделирования: максимальная МСП была достигнута при частоте 14,5 Гц (рис. 1.8). Авторы, кроме того, отмечают интенсивные колебания значений крутящего момента, что служит одним из наиболее эффективных механизмов предотвращения подклинок-проворотов колонны.
Примечательно также и состояние извлеченного долота (рис. 1.9). Долото не получило никаких повреждений вооружения, отмечался лишь незначительный износ кромок резцов. Ничего подобного при бурении на данном участке прежде не видели.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ДЛЯ РУС
Помимо выше описанных результатов экспериментов, авторы обнаружили особенные преимущества применения ВПВ при бурении с помощью роторных управляемых компоновок (РУС). Как показал опыт, наведенные продольные вибрации существенно снижают интенсивность возникающих при контакте резцов с забоем торсионных вибраций. Благодаря этому, во-первых, значительно повышается МСП, а также выравнивается скорость вращения внутренней компоновки приборов РУС — а, значит, повышается точность управления системой.
РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВПВ
И, наконец, авторы описывают опыт применения ВПВ на двух проектах: при бурении скважин в Алжире и в Скалистых горах США.
В первом случае применение ВПВ позволило фактически избавиться от проблемы подклинок-прихватов при существенном росте средней МСП и снижении необходимой нагрузки на долото. Кроме того, если прежде большинство долот приходилось извлекать из скважин до достижения проектного забоя вследствие неприемлемого снижения МСП по причине износа долота, то после внедрения ВПВ в большинстве случаев извлеченные из пробуренных скважин долота можно было использовать и далее.
Сложности при бурении в Скалистых горах были сопряжены с предполагаемым недохождением веса колонны до забоя при бурении вертикальной секции вследствие избыточной кривизны ствола и трения колонны о стенки скважины. И, хотя прежде система ВПВ использовалась при наклонно-направленном бурении, оператор решил испытать ее в своих вертикальных скважинах.
Статистика по итогам сорока рейсов — 27 без ВПВ и 13 с ВПВ — показывает, что благодаря наведенным продольным вибрациям МСП выросла на 30–33%, а проходка на долото увеличилась в среднем на 18% (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Сравнительный анализ рейсов КНБК с ВПВ и без ВПВ с использованием однотипных долот3.10.png