Технология бурения нефтяных и газовых скважин модернизированными винтовыми забойными двигателями (научное обобщение, результаты исследований и внедрения)

Скачать 0.76 Mb.

Название	Технология бурения нефтяных и газовых скважин модернизированными винтовыми забойными двигателями (научное обобщение, результаты исследований и внедрения)
страница	1/6
Дата публикации	04.12.2014
Размер	0.76 Mb.
Тип	Автореферат

100-bal.ru > Физика > Автореферат

1 2 3 4 5 6

На правах рукописи

ДВОЙНИКОВ МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ

НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН МОДЕРНИЗИРОВАННЫМИ

ВИНТОВЫМИ ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

(научное обобщение, результаты исследований и внедрения)

Специальность: 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тюмень - 2011

Р

абота выполнена в Научно-исследовательском и проектном институте технологий строительства скважин (НИПИ ТСС) при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ)

Научный консультант

Официальные оппоненты

– доктор технических наук, профессор

Овчинников Василий Павлович
– доктор технических наук, профессор

Ишбаев Гиният Гарифуллович

– доктор технических наук

Балденко Дмитрий Федорович

– доктор технических наук

Киреев Анатолий Михайлович

Ведущая организация – Общество с ограниченной ответственностью «Тюменский научно-исследовательский и проектный институт природного газа и газовых технологий» (ООО «ТюменНИИгипрогаз»)

Защита состоится 08 апреля 2011 года, в 09-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.01 при ТюмГНГУ по адресу: 625039,

г. Тюмень, ул. 50 лет Октября, 38.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре ТюмГНГУ по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72а, каб. 32.
Автореферат разослан 07 марта 2011 года.

Ученый секретарь

иссертационного совета Д 212.273.01,

доктор технических наук, профессор Г.П. Зозуля
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

При строительстве нефтяных и газовых скважин в настоящее время в качестве привода долота нашли достаточно широкое применение винтовые забойные двигатели (ВЗД), обеспечивающие в России от 50 до 60 % всего объема бурения. В качестве технологического приема повышения эффективности бурения с ВЗД используют одновременное периодическое или постоянное вращение бурильной колонны ротором, либо верхним приводом. Производственники данный способ называют комбинированным. Его использование позволяет осуществлять бурение скважин различной глубины с разными типами профиля, широким диапазоном изменения вида и свойств промывочных жидкостей, параметров режима бурения, а также с применением разных конструкций и типоразмеров породоразрушающего инструмента.

При сложившейся на сегодня технологии бурения отмечаются проблемы, связанные с нестабильностью работы ВЗД, их остановками, низким сроком службы рабочих органов (РО), а также авариями (отворотами, разрушениями элементов ВЗД) компоновки бурильной колонны (БК). В частности, сроки работы двигателей, в зависимости от типоразмера и условий эксплуатации, составляют от 90 до 235 ч, а отказы ВЗД по данным буровых компаний ООО «Газпром бурение» и «KCA Deutag» – от 5 до 12 в год, что приводит к длительным восстановительным работам в скважине, либо полной ликвидации последней.

Указанные явления обусловлены следующим: отсутствием информации о фактической осевой нагрузке на долото, влияющей на работу системы «БК – ВЗД – долото»; чередованием разбуриваемых пород с разными физико-механическими свойствами; применением долот, обладающих повышенной моментоёмкостью; низким качеством изготовления элементов рабочих органов и конструктивными особенностями силовой секции двигателя, а также рядом других малосущественных факторов.

Цель работы

Повышение эффективности бурения нефтяных и газовых скважин разработкой методов контроля и оперативного управления режимами работы породоразрушающего инструмента, обеспечением устойчивого режима работы низа бурильной колонны, увеличения энергетических характеристик и межремонтного периода ВЗД.

Основные задачи исследований

1. Анализ результатов технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности бурения нефтяных и газовых скважин с применением ВЗД.

2. Исследование энергетических характеристик и износостойкости рабочих органов предложенного героторного механизма в зависимости от времени отработки ВЗД в условиях скважины.

3. Обоснование метода регулирования энергетических характеристик героторного механизма модульного исполнения для обеспечения требуемых параметров бурения скважины и повышения срока службы ВЗД.

4. Разработка, исследование и испытания ВЗД c РО модульного исполнения.

5. Анализ и разработка методики определения и контроля фактической нагрузки на долото, частоты вращения бурильной колонны для оперативного управления и автоматизированного контроля параметров бурения с применением ВЗД.

6. Опытно-промышленное внедрение разработанных технических средств и технологии бурения скважин. Анализ полученных результатов. Разработка нормативных документов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является бурение скважин, предметом – методологические и технологические решения, направленные на повышение эффективности бурения нефтяных и газовых скважин с применением ВЗД.

Научная новизна

Научно обоснован способ повышения энергетических характеристик ВЗД и увеличения его срока службы, основанный на изменении конструкции силовой секции, обеспечивающей снижение инерционной и увеличение гидравлической сил в рабочих органах двигателя, за счет изготовления ротора героторного механизма модульного исполнения.
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено увеличение энергетических параметров (момент на валу, мощность, давление в рабочих камерах, нагрузочная способность) героторного механизма, снижение крутильных колебаний ВЗД в зависимости от угла разворота соосно объединенных модулей относительно друг друга. Дано объяснение увеличению срока службы ВЗД.
Теоретически объяснено и экспериментально подтвержден механизм моментно-силового взаимодействия элементов системы «БК–ВЗД –долото» при комбинированном способе бурения нефтяных и газовых скважин с использованием серийных и модернизированных двигателей.
Разработана методика определения фактической нагрузки на долото и частоты вращения БК, позволяющая обеспечить повышение скорости процесса бурения, устойчивость работы винтового забойного двигателя, а также безаварийность проводки наклонно направленных и горизонтальных скважин комбинированным способом.

Основные защищаемые положения

Научное обоснование возможности изменения векторов сил нагружения статора РО, влияющих на эксплуатационные характеристики ВЗД, без изменения геометрических параметров винтовых поверхностей героторного механизма.
Компоновка героторного механизма с ротором модульного исполнения, позволяющая снизить уровень крутильных колебаний ВЗД, повысить запас его устойчивости и срок службы, а также рабочие характеристики двигателя. Решение положено в основу создания новых типов конструкций ВЗД.
Научное обоснование необходимости изменения методики оперативного управления режимами бурения нефтяных и газовых скважин введением этапа оперативной корректировки осевой нагрузки на долото, определяемой по моментносиловым и частотным характеристикам бурильной колонны и ВЗД.
Методика определения и контроля фактической осевой нагрузки на долото и частоты вращения бурильной колонны, которая позволяет обеспечить устойчивость работы винтового забойного двигателя, что способствует безаварийному бурению наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Практическая ценность и реализация работы

По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены при строительстве нефтяных и газовых скважин:

– конструкция винтовых забойных двигателей с увеличенным сроком службы, содержащая героторный механизм модульного исполнения (патент № 2345208);

– методика определения и контроля фактической нагрузки на долото, а также частоты вращения бурильной колонны в процессе углубления забоя наклонно направленных и горизонтальных скважин (патент № 2361055). Рекомендованы оптимальные значения угловой скорости бурильной колонны в зависимости от нагрузки на долото по данным станции ГТИ и дифференциального момента, обеспечивающие стабильную безаварийную работу системы и выполнение условия, при котором тормозная нагрузка ВЗД будет больше фактической осевой нагрузки на долото.

– нормативные документы: регламент технического обслуживания и ремонта ВЗД модульного исполнения; регламент на бурение скважин с ВЗД модульного исполнения в ОАО «Газпром»; рекомендации по применению методики определения осевой нагрузки на долото, контролю параметров бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин; программ на бурение скважин Заполярного, Ямбургского, Уренгойского, Урненского месторождений ВЗД модульного исполнения с использованием методики определения фактической осевой нагрузки на долото и контролю параметров бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Технические и технологические разработки внедрены в филиале Уренгой бурение ООО «Газпром бурение», ОАО «ТНК-ВР», ООО «ТНК-Уват» при строительстве скважин на месторождениях: Заполярное, Ямбургское, Уренгойское, Урненское. Сроки строительства скважин сократились в среднем на 4 суток, за счет увеличения механической скорости бурения на 12 - 15 %.

Результаты теоретических, экспериментальных и промысловых исследований используются на кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин», в учебных центрах ТюмГНГУ при проведении лекционных занятий для подготовки и переподготовки специалистов нефтегазового направления.

Апробация работы

Основные положения и результаты исследований докладывались на: ежегодных семинарах кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» ТюмГНГУ (Тюмень, 2004 - 2010); 1-й, 2-й, 3-й Всероссийских научно-практических конференциях Западно-Сибирского общества молодых инженеров-нефтяников при ТюмГНГУ, Society of Petroleum Engineers (SPE) «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (Тюмень – 2007, 2008, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень – 2007, 2009); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (Тюмень 2007); Международной научно-практической конференции, посвященной 40-летию кафедры Разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений «Новые технологии для ТЭК Западной Сибири» (Тюмень, 2008).

Публикации

По материалам исследований опубликованы 52 научные работы, в том числе 33 статьи (из них 16 в издательствах, рекомендованных ВАК РФ),

7 тезисов и докладов на Международных, Всероссийских конференциях. Издано 3 монографии и 1 учебное пособие. Получено 8 патентов РФ.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников (177 наименований). Работа изложена на 371 странице машинописного текста, содержит 42 таблицы, 115 рисунков и 22 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность работы, обозначены направления и пути решения затронутых проблем, сформулированы цель работы и основные задачи исследований.

В первом разделе представлены результаты анализа исследований технических решений в области совершенствования серийно выпускаемых забойных двигателей для бурения скважин.

На протяжении 40 лет отечественная практика строительства нефтяных и газовых скважин базировалась на высокоскоростном бурении с применением многоступенчатых безредукторных турбобуров, характеристики которых, при использовании в качестве породоразрушающего инструмента современных высокомоментных долот (матричных, PDC), не позволяют получать требуемые параметры режима углубления скважины. На сегодняшний день в качестве привода долота широкое применение нашли ВЗД – машины объемного принципа действия, обладающие более высокими энергетическими характеристиками, отвечающие требованиям новых конструкций породоразрушающего инструмента, а также технологиям их использования при проводке наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Большой вклад в конструирование, создание и усовершенствование героторных машин, а также в исследование рабочих процессов ВЗД для бурения и капитального ремонта скважин внесли отечественные ученые: Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, Т.Н. Бикчурин, М.Г. Бобров, Ю.В. Вадецкий, М.Т. Гусман, Ю.А. Коротаев, А.М. Кочнев, В.А. Каплун, С.С. Никомаров и др., а также зарубежные специалисты: Y. Forrest, M. Garrison, T. Hudson, R . Moineau, V. Tiraspolsky, W. Tcshirky, R. Yurgens, K. Wenzel и др.

Анализ результатов их исследований показал, что серийно выпускаемые отечественные и зарубежные двигатели обладают одинаковой управляемостью в процессе бурения скважин. Зарубежные героторные механизмы, по сравнению с аналогичными российскими машинами, имеют увеличенный моторесурс рабочих органов (от 65 до 120 ч), а двигатели российских производителей (двигатели диаметром более 127 мм) отличаются повышенными показателями энергетических характеристик. При этом общей проблемой является отказ ВЗД, а также невысокий показатель времени их работы.

В таблице 1 приведены сведения по наработке (ресурсе) ВЗД при бурении скважин на Приобском, Лянторском, Средне-Балыкском, Кулунском, Кальчинском, Уренгойском, Ямбургском и Заполярном месторождениях.
Таблица 1 – Срок службы, применяемых ВЗД по ряду буровых компаний

Буровая компания (предприятие)	Тип ВЗД
	ДГР-178	Д2- 195	Д2- 172	Д5- 195	ДРУ-172	Д-172РС	G1-172 Grifits	Sp. Drill-178	D675-172Drilex
	Кинематическое отношение
	7:8	9:10	7:8	9:10	7:8	9:10	7:8	7:8	7:8
	Длина рабочей пары, мм
	3600	2300	2400	2400	2400	2400	2350	3000	2400
	Срок службы ВЗД, ч
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ОАО «Сургут-нефтегаз»	134	90	170	175	199	214	240	196	195
ООО «Газпром бурение»	146	139	168	198	214	212	235	-	-

Продолжение таблицы 1

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
«ТНК – ВР» (НБН)	127	154	154	186	204	232	227	264	-
ОАО «Лукоил» (БК Евразия)	162	186	176	210	238	239	208	229	205
«Schlumberger» (CGK)	153	-	-	185	234	245	266	247	212
	Среднее значение срока службы ВЗД, ч
	144	142	167	190	218	228	235	231	204

Анализ проведен по результатам бурения скважин ВЗД в равнозначных технико-технологических условиях. Интервал бурения от 800 до 3000 м (бурение из-под кондуктора) – геологический разрез представлен преимущественно аргиллитом, алевролитом, песчаником, известняком; плотность бурового раствора от 1100 до 1150 кг/м³; содержание песка в буровом растворе не более 1,14 %; система очистки – четырехступенчатая, фирмы «Derik», «Swaсo»; нагрузка на долото – от 40 до 120 кН; производительность насосов - от 0,024 до 0,036 м³/с; зенитный угол - от 14 до 86⁰.

Срок службы их работы в среднем по всем видам ВЗД составляет от 144 до 275 ч (см. таблицу 1). С таким показателем наработки возможно использование ВЗД только на двух скважинах глубиной от 2500 до 3000 м.

Причинами недостаточно высокого ресурса ВЗД являются: абразивный износ рабочих органов, ограниченный температурный диапазон работы эластомера статора, деформация его эластичной обкладки, что приводит к смещению ротора в радиальном направлении под действием силовых факторов, а также поперечные колебания ротора и корпуса двигателя.

Известно, что ВЗД состоит из силовой (двигательной) и шпиндельной секции. Зубья статора и ротора силовой секции, имеющие соответственно внутренние и наружные винтовые линии левого направления с разностью количества зубьев, равной единице, образуют замыкающиеся на длине шага статора герметичные рабочие камеры. В результате этого ось ротора смещена относительно статора на расстояние эксцентриситета, равного половине высоты зуба. Под действием гидравлической силы бурового раствора, подаваемого насосами, ротор совершает планетарное движение. Из-за данной конструктивной особенности (неравномерности вращения ротора) и пульсации бурового раствора возникают крутильные колебания двигателя, снижающие запас устойчивости (потерю мощности) ВЗД. Конструктивные изменения профилей и формы рабочих органов, их геометрических параметров, а также секционирование силовых секций, не позволяют снизить уровень крутильных колебаний ВЗД, увеличить запас его устойчивости и срок службы.

Частичным решением проблемы износа РО является применение смазочных добавок к буровым растворам. Однако они не во всех случаях обеспечивают необходимые реологические параметры буровых растворов. Кроме того, сведения о влиянии триботехнических свойств растворов на возможность продления срока службы ВЗД отсутствуют. Выход из строя упругоэластичной обкладки статора героторной машины, по причине износа и невозможности ремонта (реставрации) ограничивает дальнейшую их эксплуатацию.

Изложенное обусловило необходимость разработки конструкций, обеспечивающих требуемые параметры бурения скважин: моментоемких героторных механизмов; устройств, повышающих пусковые характеристики объемных двигателей; двигателей с увеличенным сроком службы.