ГЛАВА 4

ПЛАНИРОВАНИЕ БУРОВЫХ РАБОТ  И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Sperry Drill

 

4.1 Проектирование скважин и планирование применения забойных двигателей Sperry Drill

Введение

Компания “Сперри-Сан” предлагает своим клиентам проведение работ по планированию строительства скважин и применению забойных двигателей, базируясь на свой обширный опыт в различных странах и регионах мира, на основе использования современного программного обеспечения и анализа записей из базы данных компании, содержащей большой объем промысловой информации.

Компания предлагает следующие услуги:

·      Анализ поведения компоновки низа колонны при роторном или турбинном бурении в зависимости от количества, типов и типоразмеров, а также размещения основных узлов..

·      Анализ моментов вращения и сопротивления вращению колонны и компоновки низа колонны при роторном или турбинном бурении, включая вопросы, связанные с реактивным моментом вращения забойного двигателя.

·      Расчет напряжений в отдельных узлах компоновки низа колонны, связанных с циклической нагрузкой, возникающей в следствие воздействия усилий сопротивления колонны и породы.

·      Гидравлический анализ скважины, связанный с обеспечением нормальной работы забойного двигателя и долота, а также требований к гидравлической стабильности скважины и очистки забоя.

·      Расчет и построение траектории скважины, позволяющей избежать обрушения ствола и учитывающей состояние вскрываемой породы и расположение коллектора.

·      Анализ ранее полученных данных бурения.

·      Составление и оформление нормативной документации на проведение буровых работ.

·      Разработка планов по ликвидации аварий и нештатных ситуаций в процессе бурения.

·      Анализ экономической эффективности буровых работ.

·      Руководство буровыми работами на месте и сбор данных о ходе бурения супервайзерами “Сперри-Сан”.

·      Планирование и надзор за производством буровых работ на месте.

·      Оперативное внесение изменений в текущий план ведения буровых работ при возникновении нештатных ситуаций в процессе бурения.

·      Всесторонний анализ процесса бурения по завершении строительства скважины с оценкой экономической и технической эффективности работы забойных двигателей и технического персонала “Сперри-Сан”, проектирование скважин, планирование бурения с использованием забойных двигателей, организация системы мониторинга процесса бурения.

Планирование применения забойных двигателей

Правильное планирование применения забойных двигателей должно учитывать все аспекты и цели буровых работ, скважинные параметры, типы используемого наземного и скважинного оборудования, к которым можно отнести:

Общие параметры процесса бурения

Траектория скважины, наиболее интересные элементы разреза (смена породы, сдвиги, падения пластов и т.п.), первоначальный зенитный угол и азимут ствола, точки изменения направления ствола, радиусы кривизны, участки вертикального ствола, допустимые отклонения для вертикальных участков ствола, промежуточные зенитные углы и азимуты ствола, требуемые скорости бурения, абсолютная вертикальная глубина скважины, величины горизонтального смещения забоя, время на проведение конкретных буровых операций, конечный наклон и азимут ствола, геометрия скважины (наличие плавных переходных участков), общее количество использованных долот, количество спусков и подъемов инструмента, а также различного рода временные факторы.

Скважинные параметры

Осложнения при бурении - осыпающиеся сланцевые глины, связанные с перепадом давления прихваты колонны, трение колонны о стенку скважины и т.п.

Гидравлические параметры - физико-химические свойства бурового раствора, скорость подачи бурового раствора и перепад давления в скважине (необходимый для нормальной работы забойного двигателя), гидравлические особенности долота, стабильность скважины, проблемы очистки скважины.

Параметры бурового раствора - химический состав, удельный вес, вязкость, содержание взвешенных примесей, наличие добавок (материалов для борьбы с поглощением, снижения трения и т.д.), химический состав пластовых флюидов.

Литология пород - типы пород, падение пластов, разломы, буровые характеристики породы и т.п.

Параметры наземного оборудования

Давление нагнетания и производительность буровых насосов.

Грузоподъемность буровой лебедки.

Надежность и точность приборов на пульте бурильщика - расходомера, манометра, индикатора веса, динамометра, измерителя оборотов ротора, индикатор крутящего момента.

Типы сетчатых фильтров в колонне и вибросит для очистки бурового раствора.

Параметры скважинного оборудования

Геометрические размеры и механические параметры бурового оборудования компоновки низа колонны, размещение отдельных элементов и их производительность (с точки зрения их применения для наклонно-направленного бурения), допустимые напряжения изгиба, допустимые динамические нагрузки, допустимые усталостные нагрузки, допустимые вибрационные нагрузки, влияние узлов компоновки низа колонны на работу забойного двигателя, а также приборов ИПБ и передачу сигнала данных.

 

 

4.2 Выбор долота забойного двигателя Sperry Drill

Забойные двигатели “Сперри-Дрилл” могут работать с трехшарошечными долотами, штыревыми долотами со вставками из карбида вольфрама, скважинными фрезами, а также с поликристаллическими и обычными алмазными долотами.

При планировании буровых работ с использованием забойных двигателей “Сперри-Дрилл”, при выборе долота следует исходить из тех же соображений, что и при роторном бурении. При этом особое внимание следует обратить на то, что долото должно работать при более высоких оборотах, чем в режиме роторного бурения и выдерживать (в отличие от роторного бурения) частые изменения нагрузки на долото.

Целью процесса подбора долота является выбор наиболее оптимального (как с технической, так и с экономической точки зрения) инструмента, позволяющего получить требуемые проходку и скорость бурения, а также надежную проводку ствола сложного профиля, исключив при этом возникновение проблем в обсаженном и необсаженном стволе и обеспечив высокую надежность и долговечность работы как самого долота, так и забойного двигателя и другого бурового оборудования.

Скорость бурения и износ долота определяются целым комплексом факторов, таких как механические параметры долота, характеристики породы, тип применяемого бурового раствора, а также гидравлические и механические параметры процесса бурения (например такие, как технические характеристики забойного двигателя).

Характеристики породы, влияющие на выбор конкретной конструкции долота (геометрические параметры, материал и т.п.), необходимо рассматривать совместно с механическими характеристиками забойного двигателя, являющимися определяющими при выборе нагрузки на долото. К необходимым характеристикам породы относятся: предел прочности при сжатии, абразивность, пористость, режим деформации, проницаемость, степень сцементированности, а также мощность пласта и тип трещиноватости (что может влиять на проводку направленных стволов).

Применяемые типы бурового раствора и промывочных жидкостей, а также связанный с ними гидравлический режим скважины, подбираются таким образом, чтобы обеспечить контроль за скважиной, прорабатывание и очистку ствола, а также промывку и охлаждение долота.

При выборе долота и забойного двигателя для разбуривания породы конкретного типа и с использованием определенного бурового раствора, необходимо учитывать механические нагрузки на отдельные узлы двигателя, связанные с конструкционными особенностями долота (его взаимодействием с разбуриваемой породой), а также возможное влияние бурового раствора на работу забойного двигателя или другого бурового оборудования.

Механические параметры бурения, которые непосредственно связаны с выбором долота, включают: диапазон частот вращения двигателя (который может быть увеличен за счет дополнительного вращения бурильной колонны), нагрузку на долото (которая обычно ниже, чем при роторном бурении) и вибрационные/динамические нагрузки (свойственные работе забойного двигателя).

Необходимо также учитывать влияние установленных на забойном двигателе отклоняющих устройств на позиционирование долота на забое и характер бурящегося ствола.

По возможности, необходимо учитывать возможность изменения направления (“увод”) ствола скважины за счет вращения колонны при переходе на роторное бурение, свойства бурового раствора, а также тщательно изучить каротажные диаграммы и другую имеющуюся в наличии информацию по данной скважине.

Долота, применяемые для турбинного бурения с использованием стандартных забойных двигателей “Сперри-Дрилл”, должны иметь шейку с резьбовым соединением, соосную с другим буровым инструментом и колонной в целом, которая располагается строго под прямым углом к рабочей поверхности долота (т.к. наличие эксцентриситета долота приводит к появлению вибраций в процессе бурения).

4.3 Подбор гидравлического режима бурения забойным двигателем Sperry Drill

Забойные двигатели “Сперри-Дрилл” были разработаны таким образом, чтобы по своим эксплуатационным характеристикам и материалу, из которого изготовлены их отдельные детали и узлы, обеспечивали взаимозаменяемость с буровым оборудованием, применяемым для роторного бурения, наземным оборудованием и буровым инструментом, а также обеспечивали работу с различными буровыми растворами и промывочными жидкостями.

Забойные двигатели “Сперри-Дрилл” способны работать с большинством использующихся в буровой практике буровых растворов и промывочных жидкостей, включая:

·      воду (как пластовую, так и пресную);	·      буровые растворы на полимер. основе.
·      буровые растворы на водной основе;
·      буровые растворы на нефтяной основе;

Особой областью применения забойных двигателей “Сперри-Дрилл” является их применения в пневматическом бурении (совместно со специальными смазочными материалами), что, однако, представляет собой достаточно сложную проблему из-за большой сжимаемости воздуха; дополнительную информацию по этой проблеме можно получить в представительствах компании “Сперри-Сан”.

Обычно буровой раствор выполняет в скважине следующие функции:

·      является источником гидравлической энергии, которая может быть преобразована в механическую энергию при помощи специальных преобразователей, например таких, как забойные двигатели “Сперри-Дрилл” и генераторы систем ИПБ,

·      охлаждает и смазывает движущиеся узлы скважинного оборудования, взаимодействующие с другими узлами и/или породой,

·      препятствует выбросу пластового флюида и обеспечивает контроль за скважиной - не позволяет пластовым жидкостям и/или газу поступать в ствол, препятствует нарушению эксплуатационных качеств пласта и исключает возможность потери циркуляции,

·      обеспечивает очистку забоя от бурового шлама и взвешенных частиц породы.

Компания “Сперри-Сан” предлагает своим клиентам услуги по подбору гидравлического режима бурения, а также анализ гидравлического режима скважины по завершении бурения, что позволяет более полно использовать технические возможности забойных двигателей, повышает их эффективность и надежность.

Применение забойных двигателей “Сперри-Дрилл” влечет за собой дополнительную потерю давления в гидравлическом балансе скважины, что связано с потерями на трение в силовой секции и других узлах забойного двигателя.

Помимо силовой секции, дополнительные потери давления циркулирующей жидкости могут быть снижены за счет обеспечения свободного ее перетока, прежде всего при конструировании бурового оборудования.

При проведении работ по подбору гидравлического режима бурения, специалисты “Сперри-Сан” стараются учесть все возможные потери давления в системе за счет подбора оптимального состава бурового оборудования.

Ниже приводится список основных потерь давления в скважине:

·      потери в наземном оборудовании (насосах, буровых шлангах и т.п.)

·      внутренние потери в колонне бурильных труб

·      внутренние потери в тяжелых бурильных трубах

·      внутренние потери в УБТ

·      внутренние потери в оборудовании компоновки низа колонны (системе ИПБ, ясе и т.п.)

·      потери в забойном двигателе “Сперри-Дрилл” (1. На холостом ходу,

 2. В рабочем режиме)

·      потери на долоте

·      потери в затрубном пространстве над компоновкой низа колонны

·      потери в затрубном пространстве над УБТ

·      потери в затрубном пространстве над секцией тяжелых бурильных труб

·      потери в затрубном пространстве на колонне

·      потери давления в затрубном пространстве рассчитываются с учетом диаметров необсаженного ствола, обсадной колонны или кондуктора.

Перепад давления на забойном двигателе на холостом ходу и в рабочем режиме могут различаться, что связано с влиянием на поток целого ряда факторов (см. рис. 4.8(2) и 5.14). Рабочие перепады давления на различных забойных двигателях можно определить по номограммам для расчета потерь давления (см. раздел 6.4). Перепад давления на холостом ходу можно оценить на основе диаграмм, приведенных в разделе 6.4. Перепад давления без нагрузки для силовой секции конкретного типоразмера можно определить по точке пересечения кривой вращательного момента с нулевой осью. При этом можно считать, что полный перепад давления на двигателе без нагрузки будет в два раза выше. Необходимо также помнить, что истинный перепад давления в скважине будет незначительно изменяться при изменении температуры, удельного веса бурового раствора и некоторых других факторов.

Данные о внутренних потерях давления на отдельных элементах компоновки низа колонны можно получить непосредственно от производителей соответствующего бурового оборудования, или рассчитать на основе их паспортных данных.

Забойные двигатели “Сперри-Дрилл” можно эксплуатировать при давлениях на забое скважины до 1200 фунт/кв. дюйм, что определяется гидравлическими параметрами долота. При этом, при данной подаче бурового раствора, 5 - 8% общего объема циркулирующей жидкости проходит через шпиндельную секцию, обеспечивая ее смазку и охлаждение. В то же время 92 - 95% общего объема циркулирующей жидкости проходит через долото; именно эту величину следует использовать для расчета перепада давления на долоте. Необходимо также отметить, что рост перепада давления на долоте связанный, например, с засорением сопел долота, может привести к тому, что через шпиндель будет “продавливаться” избыток бурового раствора и вызвать его эрозию (или “размыв”).

(см. рис. 4.3)

 

 

 

 

Рис. 4.3 Схема смазывания сборки шпиндельной секции буровым раствором

При работе забойного двигателя на холостом ходу (т.е. на поверхности или в скважине, когда долото не находится на забое) потери давления, связанные с трением в двигателе, оказываются минимальными. Они различаются в зависимости от типоразмера двигателя, что связано с применением в них силовых секций различной конструкции. Следует отметить, что потери давления в забойном двигателе на холостом ходу могут также различаться и у двигателей одинаковой конструкции, что связано с различиями в допусках и посадках деталей силовой секции и износом статора и ротора.

После того как буровой инструмент спущен в скважину и долото оказывается на забое, возрастает нагрузка на долото и одновременно растет перепад давления на паре ротор/статор забойного двигателя, что связано с необходимостью увеличения вращательного момента на работающем долоте.

При этом в случае, когда долото разгружается, но продолжает оставаться на забое, двигатель продолжает вращать его. При этом, по мере продолжения бурения, нагрузка на долото и перепад давления на силовой секции (и, соответственно, момент вращения) будут снижаться до бурения "вхолостую".

При постоянных реологических характеристиках бурового раствора, его подаче в скважину и параметрах пласта, соответствующих нормальному рабочему режиму забойного двигателя “Сперри-Дрилл”, увеличение или снижения нагрузки на долото приводит к прямо пропорциональному увеличению или снижению перепада давления и момента вращения.

Скорость проходки может быть оптимизирована только за счет изменения нагрузки на долото, либо за счет изменения нагрузки на долото, подачи бурового раствора и частоты вращения колонны, подбираемых таким образом, чтобы наилучшим образом соответствовать  параметрам пласта (см. раздел 5.13). Однако так как пласты редко бывают совершенно однородными, не следует использовать нагрузку на долото в качестве основного показателя, определяющего крутящий момент на выводном валу турбины.

Примечание: Изменение физико-химических характеристик бурового раствора за счет введение в него различных добавок, изменение состава пластового флюида и/или газа, либо изменение температуры, могут существенно влиять на величину перепада давления на силовой секции забойного двигателя, работающего как на холостом ходу, так и в рабочем режиме.

Приведенные в данном руководстве эксплуатационные характеристики забойных двигателей “Сперри-Дрилл” были подобраны в ходе разработки изделий таким образом, чтобы сохранить высокую эффективность и долговечность двигателей, обеспечив при этом необходимую нагрузку на долото и крутящий момент, необходимый для привода долота.

Приведенные в таблицах величины максимального рабочего перепада давления существенно ниже реально достижимых величин, однако дальнейшее увеличение перепада давления вызывает ускоренный износ деталей и узлов двигателя и снижает его управляемость.

Снижение управляемости забойного двигателя повышает вероятность его аварийной остановки. При этом двигатель может остановиться совершенно неожиданно.

Ни в коем случае не следует эксплуатировать забойные двигатели за пределами приведенных в данном справочнике эксплуатационных диапазонов. Эксплуатационные параметры забойных двигателей для работы в условиях повышенных температур приведены в разделе 4.8.

 

4.4 Подбор сопла ротора забойного двигателя Sperry Drill

 

Рис. 4.4

 Ротор турбины, оснащенный соплом

В некоторых случаях при бурении необходима повышенная подача бурового раствора для того, чтобы обеспечить бесперебойную работу долота и гидравлический баланс скважины; кроме того, иногда необходимо обеспечить работу долота на повышенных оборотах. Повышенная подача бурового раствора приводит к снижению эффективности уплотнения в системе “статор/ротор” двигателя, что влечет за собой утечки раствора и ускоряет их износ. В таких случаях следует применять забойные двигатели “Сперри Дрилл”, оснащенные ротором особой конструкции: имеющего внутри ротора высверленный канал, в который устанавливаются сменные сопла.

Сопло устанавливается в верхней части ротора; при этом необходимо тщательно подбирать его диаметр в зависимости от предполагаемого режима бурения. Установка сопла позволяет отвести избыток поступающего в турбину бурового раствора, одновременно обеспечив создание необходимого перепада давления на паре “статор/ротор”, т.е. обеспечивая необходимые крутящий момент и/или обороты на долоте.

Для данных расхода и давления бурового раствора подающаяся на забойные двигатели (как оснащенные соплами, так и не имеющие полых роторов) гидравлическая энергия остается постоянной. В том случае, если силовая секция забойного двигателя не имеет полого ротора, вся подающаяся гидравлическая энергия используется для вращения ротора. При использовании забойного двигателя с оснащенным соплом полым ротором, часть поступающего под давлением в двигатель бурового раствора стравливается через сопло в полость ротора. Таким образом, появляется возможность уменьшить поток жидкости, направляемой на вращение ротора.

Расход проходящего через сечение сопла ротора бурового раствора изменяется в зависимости от перепада давления на паре “статор/ротор”. При этом он минимален, если забойный двигатель работает на холостом ходу (долото не находится на забое).

В идеальном случае, диаметр сопла подбирается таким образом, чтобы при работе на холостом ходу поток проходящего через турбину бурового раствора не превышал максимальной рекомендованной величины для данного типоразмера забойного двигателя. Однако из-за того, что потери давления на силовой секции при работе на холостом ходу крайне незначительны, необходимо устанавливать сопло достаточно большого диаметра. Тогда, при высоком давлении нагнетания, значительная часть бурового раствора будет проходить через сопло и полость ротора. Отвод части потока бурового раствора через сопло в полость ротора позволяет существенно снизить объем проходящей через двигатель жидкости (и, соответственно, мощность на валу и обороты двигателя) при повышенном давлении нагнетания.

Эффективное падение давления на парах “статор/ротор” и “сопло/полость ротора” происходит одновременно, таким образом, что в системе не возникает каких-либо дополнительных потерь давления.

Примечание: При использовании сопла для снижения частоты вращения долота, минимальный поток бурового раствора через турбину должен составлять 2/3 от максимального рекомендованного.

В тех случаях, когда поток бурового раствора через силовую секцию забойного двигателя находится в допустимых пределах, или долото должно работать при стандартных оборотах, сопло ротора можно заменить на пробку-заглушку, таким образом перекрыв доступ жидкости в полость ротора.

Роторами, допускающими установку сопла, оснащаются многозаходные турбины забойных двигателей диаметром 3-3/8” и выше.

Инструкции по эксплуатации забойных двигателей с соплами приводятся в разделе 5.17, а процедуры их установки описаны в разделе 5.6.

Подбор диаметра сопла

Для того, чтобы правильно подобрать диаметр устанавливаемого в ротор забойного двигателя сопла, необходимо иметь следующую информацию:

1.    Требуемую величину рабочего перепада давления, Р (в фунтах на кв. дюйм), определяемую исходя из величины развиваемого крутящего момента.

2.    Величину расхода бурового раствора, проходящего через сопло. Эта величина равна полной подаче бурового раствора на силовую секцию забойного двигателя, минус подача бурового раствора необходимая для работы пары “статор/ротор”, Q (гал./мин.).

3.    Плотность циркулирующего в скважине бурового раствора, PPG (фунт./гал.).

Площадь свободного сечения сопла (A_n) можно рассчитать при помощи логарифмической линейки для гидравлических расчетов по следующей формуле:

A_n =

Для данной площади свободного сечения (A_n) правильный типоразмер сопла можно определить из рис. 7.2.