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)

Специальности 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин

05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(нефтегазовая отрасль)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тюмень - 2010

Работа 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 Гниятулла Гарифуллович

– доктор технических наук

Балденко Дмитрий Федорович

– доктор технических наук, профессор

Панфилов Геннадий Андреевич

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

Защита состоится 25 ноября 2010 г., 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, 72
Автореферат разослан 25 октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Г.П. Зозуля
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Как показывает опыт работы буровых предприятий, в настоящее время приоритетным является бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин. При строительстве таких скважин применяют вращательный способ бурения, используя в качестве привода долота винтовые забойные двигатели (ВЗД от 85 до 90 %) с одновременным периодическим или постоянным вращением 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 моторесурсом рабочих органов (РО), а также авариями (отворотами, изломами элементов ВЗД) компоновки бурильной колонны (БК). В частности, моторесурс двигателей в зависимости от типоразмера и условий эксплуатации составляет от 90 до 235 ч; отказы ВЗД (буровые компании ООО «Газпром бурение» и «KCA Deutag») от 5 до 12 в год.

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

Повышение эффективности бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин, снижение неравномерности режимов работы ВЗД, увеличение его межремонтного периода и механической скорости проходки на долото возможно при оптимизации технико-технологических параметров разрушения горных пород и эффективности работы породоразрушающего инструмента, а также конструктивных изменениях элементов двигателя.
Цель работы – повышение эффективности строительства наклонно направленных и горизонтальных скважин совершенствованием технических средств и технологий их бурения с винтовыми забойными двигателями.
Основные задачи исследований
1. Обобщение результатов технических и технологических решений по обеспечению работоспособности ВЗД, сохранение требуемых параметров режима бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин.

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

3. Обоснование изменения параметров рабочих органов и энергетических характеристик героторного механизма модульного исполнения для обеспечения долговечности ВЗД.

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

5. Анализ средств оперативного управления и контроля параметров с последующей разработкой методики определения и контроля фактической нагрузки на долото, оптимизации частоты вращения бурильной колонны, направленных на снижение аварийности в скважинах.

6. Анализ результатов опытно-промышленного внедрения технических средств и технологии бурения скважин. Разработка нормативных документов.

Научная новизна

Разработан научно обоснованный способ восстановления технических показателей ВЗД и увеличения его моторесурса, основанный на изменении конструкции силовой секции, обеспечивающей снижение инерционной и увеличение гидравлической сил в рабочих органах двигателя, из-за 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 с изношенными РО, снижение крутильных колебаний ВЗД в зависимости от угла разворота соосно объединенных модулей относительно друг друга. Дано научное объяснение увеличению срока службы ВЗД.
Дано научное объяснение моментно-силового взаимодействия элементов системы «БК–ВЗД –долото» при комбинированном способе бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин с использованием серийных и модернизированных двигателей. Экспериментально и в промысловых условиях определена осевая нагрузка на долото и частота вращения бурильной колонны при разных значениях дифференциального момента.
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.
Разработана методика определения фактической нагрузки на долото и оптимизации частоты вращения БК, позволяющая обеспечить повышение скорости процесса бурения, стабильность работы винтового забойного двигателя, а также безаварийность проводки наклонно направленных и горизонтальных скважин комбинированным способом.

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 повышенным моторесурсом, содержащих 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).

– 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» и ОАО «ТНК-ВР» ООО «ТНК-Уват» при строительстве скважин на месторождениях: Заполярное, Ямбургское, Уренгойское, Урненское. Сроки строительства скважин из-за увеличения механической скорости бурения от 12 до 15 % сократились в среднем на 4 суток.

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 заседаниях 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 тезисах и докладах на Международных, Всероссийских и др. 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 (176 наименований) и 22-х приложений. Изложена на 371 страницах машинописного текста, содержит 42 таблицы и 115 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлена актуальность работы, обозначены направления и пути решения затронутых проблем, сформулированы цель работы и основные задачи по ее реализации.

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 сегодня 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. 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 не высокий показатель времени их работы.

В таблице 1 приведена наработка (ресурс) ВЗД при бурении скважин на Приобском, Лянторском, Средне-Балыкском, Кулунском, Кальчинском, Уренгойском, Ямбургском и Заполярном месторождениях. 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.

Таблица 1 – Ресурс, 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
	Моторесурс ВЗД, ч
ОАО «Сургут-нефтегаз»	134	90	170	175	199	214	240	196	195
ООО «Газпром бурение»	146	139	168	198	214	212	235	-	-
«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 моторесурса ВЗД, ч
	144	142	167	190	218	228	235	231	204

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

Причинами недостаточно высокого моторесурса 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; поперечные колебания ротора и корпуса двигателя.

Известно, что ВЗД содержит силовую (двигательную) и шпиндельную 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: моментоемких героторных механизмов; устройств, повышающих пусковые характеристики объемных двигателей; двигателей с увеличенным моторесурсом.