Способ контроля режима работы гидравлического забойного двигателя в забойных условиях

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин гидравлическими забойными двигателями (ГЗД), а именно к способам контроля режима работы ГЗД в забойных условиях. Техническим результатом является повышение эффективности бурения скважин путем оперативного изменения режима работы ГЗД при внедрении резцов долота в породы разной пластичности. Способ включает замеры показаний давления в нагнетательной линии под нагрузкой и без нагрузки на долото, поддержание постоянной разницы замеренных показаний давлений. При этом определяют максимально допустимую величину скорости подачи (Vп.доп) долота по математической формуле. Затем осуществляют замеры скорости подачи долота и в случае ее превышения выше максимального допустимого значения снижают до Vп.доп. 2 ил.

 

Способ контроля режима работы гидравлического забойного двигателя в забойных условиях

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин гидравлическими забойными двигателями, а именно к способам контроля режима работы гидравлического забойного двигателя в забойных условиях.

Известен способ контроля режима работы забойного двигателя в забойных условиях по показаниям забойного гидротахометра (см. источник - книга Вадецкого Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 1973 г., стр.59). В этом способе контроль за создаваемой осевой нагрузкой ведется по наземному индикатору веса, а частоту вращения долота - выходного вала двигателя контролируют по гидротахометру. Показание манометра на стояке в этом способе фиксирует остановку двигателя и сопутствующее этому резкое повышение перепада давления.

Известен способ контроля режима работы породоразрушающего инструмента при бурении скважин винтовыми забойными двигателями (SU №1376649, E21B 4/02, опубл. 30.09.1990), включающий регистрацию давления в нагнетательной линии в процессе работы двигателя при постоянной нагрузке, при этом допустимый износ инструмента определяют из соотношения величин давлений, замеренных при различных условиях работы двигателя, и заменяют инструмент при величинах этого соотношения, не превышающих указанных пределов:

$$\frac{P-P_{x.x}^{\text{'}}}{P_0-P_{x.x}}=\mathrm{1,3}÷\mathrm{1,7}$$

Известный способ предусматривает регистрацию давления, соответствующего режиму работы двигателя на забое без нагрузки после промывки забоя скважины, и стабилизацию перепада давления в нагнетательной линии и под нагрузкой, причем регистрацию давления в нагнетательной линии производят при постоянной нагрузке на долото, измеряемой по наземному индикатору веса. При этом допустимый износ породоразрушающего инструмента определяют из соотношения величин давлений, замеренных в начале бурения и его текущего значения.

Для всех вышеперечисленных способов контроля бурения характерен низкий показатель качества контроля осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин винтовым забойным двигателем.

При бурении скважины забойным двигателем часто возникают проблемы, связанные с нестабильностью его работы - чередованием режимов от оптимального до тормозного, а также остановок двигателя, что обусловлено неоднородностью (твердостью) разбуриваемых горных пород. В процессе работы ВЗД в горизонтальных и наклонно-направленных скважинах причинами частых остановок двигателя является отсутствие четкого контроля над тормозным моментом, напрямую связанным с неконтролируемостью создаваемой осевой нагрузкой. Невозможность определения нагрузки напрямую связано с работой - трением бурильной колонны в скважине. В процессе углубления горизонтального участка она воспринимает как продольные, поперечные, так и изгибающие нагрузки. Трение (посадки) бурильного инструмента обусловлено как неоднородностью разбуриваемых горных пород (физико-механическими свойствами), углами искривления скважины, так и углом закручивания бурильной колонны вследствие восприятия реактивного момента двигателя, влияющими на ее пространственное положение в скважине. Также увеличение трения связано с изменением расхода Q и гидравлической силы W при переменных режимах работы двигателя, что влияет на снижение качества очистки и, как следствие, приводит к зашламованию затрубного пространства скважины.

В большинстве буровых предприятий при бурении горизонтальных участков скважины с включением в компоновку нижней части бурильной колонны (КНБК) винтового забойного двигателя определение осевой нагрузки на долото производится следующим образом: осуществляют спуск КНБК на 5-10 м не доходя до забоя; определяют вес на крюке; включают насосы и запускают ВЗД без нагрузки; фиксируют давление на манифольде (стояке буровой установки) при работе двигателя на холостом ходу; спускают КНБК до забоя и снова фиксируют давление на манифольде при плавном создании нагрузки на долото. По мере роста давления на манифольде определяется осевая нагрузка на долото, а также момент на валу двигателя при работе в оптимальном режиме (согласно паспортным характеристикам ВЗД) и тормозном режиме. Затем по станции ГТИ (геолого-технических исследований), которая выдает информацию о величине осевой нагрузки определяемую только по весу колонны (потере - изменению веса) в процессе спуска и бурения скважины, производят корректировку фактической осевой нагрузки на долото.

Способ контроля режима работы винтового двигателя в забойных условиях (SU №1128646, МПК E21B 4/02, опубл. 30.09.1990) принят за прототип. Способ заключается в осуществлении замеров показаний давлений в нагнетательной линии при работе двигателя под нагрузкой и без нагрузки, а поддержание заданной частоты вращения вала двигателя осуществляют путем поддержания постоянной разницы замеренных показаний давления. Точность контроля режима работы двигателя, по данному способу удовлетворительна при разбуривании крепких и средних однородных пород.

К недостаткам способа относится то, что как показал опыт, он не позволяет с достаточной точностью контролировать и управлять режимами работы двигателя при разбуривании слабосцементированных мягких пород, так как в указанных условиях резцы долота внедряются на большую глубину, а жидкость не полностью вымывает срезанную породу, что снижает качество ствола и скорость проходки, такой режим способствует сальникообразованию.

Теория разрушения горной породы базировалась на осевой нагрузке на долото, как самый простой и доступный параметр, который постоянно контролировался по гидравлическому индикатору веса. Исследования проводились по двум направлениям: зависимость механической скорости бурения от величины осевой нагрузки на долото и зависимость скорости бурения от частоты вращения долота:

$$Vм=f\left(G\right)иVм=f\left(n\right);\left(\text{1}\right)$$

где: Vм - механическая скорость проходки;

f - функция; G - осевая нагрузка; n - частота вращения долота.

В соответствии с законами физики, скорость протекания любого процесса зависит от величины затраченной энергии, а так как процесс бурения не является исключением, то и скорость бурения зависит от количества израсходованной энергии, т.е.

$$Vм=f\left(Wд\right);\left(\text{2}\right)$$

где: Wд - энергия, расходуемая на долоте, она состоит из гидравлической Wг и механической Wм.

$$Wд=Wг+Wм;Wг=\Delta Рд*Q;Wм=\mathrm{6,28}M*n;\left(\text{3}\right)$$

где: ΔРд - перепад давления в долоте, Q - расход промывочной жидкости, M - крутящий момент на долоте, n - частота вращения долота.

Гидравлическая энергия на долоте постоянная, так как расход жидкости и перепад в долоте постоянны, поэтому для упрощения задачи на данном этапе не рассматривается.

Механическая энергия зависит от крутящего момента на долоте и частоты вращения долота. При турбинном бурении определить ни ту, ни другую величины без дополнительных сложных и дорогих устройств не представляется возможным, поэтому был сделан выбор на контроль одной из составляющей крутящего момента и частоты вращения - осевой нагрузки на долото.

$$M=f\left(G\right);n=f\left(G\right);\left(\text{4}\right)$$

Для турбинного бурения такой подход является справедливым и эффективным.

Что касается применения винтовых забойных двигателей, то тут существует более простой, точный и надежный способ определения и контроля расходуемой на долоте механической энергии при известной стендовой характеристике применяемого ВЗД и известном расходе промывочной жидкости.

Как уже было сказано, механическая скорость проходки зависит только от количества израсходованной долотом энергии. Если долото получает механическую энергию, то скорость проходки будет соответствовать величине этой энергии и геологическим условиям, и совсем не важно, какая истинная осевая нагрузка имеется на долоте. Энергия, расходуемая на разрушение породы состоит из произведения всего лишь 2х величин (5), а именно - крутящего момента и частоты вращения, как видим, тут нет осевой нагрузки. Крутящий момент на долоте зависит от нескольких неизвестных параметров: это механических свойств породы, осевой нагрузки, состояния долота и др. - все это неизвестно, но зато известна сама величина крутящего момента, а поиски его составляющих частей в данном случае теряют смысл.

$$Wм=\mathrm{6,28}М*n,кВт;где:\left(\text{5}\right)$$

Wм - выходная механическая мощность ВЗД, - это механическая энергия передаваемая долоту, расходуемая на разрушение породы, кВт;

M - крутящий момент на долоте, кН.м;

n - частота вращения долота, C^-1.

Крутящий момент на долоте, как известно, легко определяется по величине дифференциального давления при бурении и паспортной характеристике применяемого ВЗД. Частота вращения долота также легко определяется по расходу промывочной жидкости и паспортной характеристике ВЗД.

Таким образом, достаточно контролировать величину механической энергии, расходуемую долотом на разрушение породы для обеспечения необходимой механической скорости проходки. Однако, как показала практика, существуют геологические условия (рыхлые породы), в которых номинальная величина расходуемой на долоте механической энергии является избыточной, и тогда ухудшается качество стенок ствола и ухудшается вынос выбуренной породы.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности бурения скважин путем оперативного изменения режима работы гидравлического забойного двигателя при внедрения резцов долота в породы разной пластичности (твердой, мягкой, слабосцементируемой и т.д.) за счет повышения качества контроля скорости подачи долота.

Технический результат достигается за счет того, что способ контроля режима работы гидравлического забойного двигателя в забойных условиях, включающий замеры показаний давления в нагнетательной линии под нагрузкой и без нагрузки на долото, поддерживают постоянную разницу замеренных показаний давлений, согласно изобретению, определяют максимально допустимую величину скорости подачи долота (Vп) по формуле:

$$Vп.доп=a\times h\times n,м/час,где:\left(\text{6}\right)$$

Vп.доп - максимально допустимая скорость подачи долота, м/час;

a - экспериментальная величина, зависящая от пластичности пород (0,5-0,95), об^-1;

h - высота рабочей части резцов долота, м;

n - частота вращения долота, об/час; осуществляют замеры скорости подачи долота и в случае ее превышения выше максимального допустимого значения снижают до Vп.доп.

На Фиг.1 показаны показатели пробуренных скважин на одном и том же кусту.

Первая скважина №1 бурилась по известному способу, и за 10 часов работы ВЗД всего пройдено 161 м проходки, средняя механическая скорость достигла 121,1 м/час.

Вторая скважины №2 пробурена по предложенному изобретением способу, и за 10 часов пройдено 426 м проходки со средней механической скоростью 79 м/час. Обе скважины пробурены однотипными ВЗД и однотипными долотами.

На Фиг.2 показана глубина внедрения резца долота в породы.

На Фиг.2а показана глубина разрушения h1 твердой породы резцом долота с высотой рабочей части равной h, соответствующей скорости подачи инструмента V1 при частоте вращения долота n.

На Фиг.2б показана глубина внедрения долота в мягкую породу, в номинальном режиме бурения, скорость подачи инструмента V2 при частоте вращения долота n, глубина внедрения долота в мягкую породу соответствует h2.

На Фиг.2в представлена схема бурения мягкой породы при расчетной максимально допустимой скорости проходки V3. Толщина среза породы за один оборот долота (глубина внедрения резца долота) составляет h×a, где h - высота рабочей части резцов долота, м; a - экспериментальная величина, зависящая от пластичности породы. Режим бурения в этот период меньше номинального.

Способ осуществляется следующим образом. Определяют максимально допустимое значение величины скорости подачи долота (Vп.доп.) по формуле (6). После спуска бурильной колонны в скважину и включения буровых насосов, доводят породоразрушающий инструмент (долото) до забоя и медленно увеличивают нагрузку на долоте, путем подачи бурильной колонны. При этом следят за ростом давления в нагнетательной линии, и при достижении давления рабочего значения скорость подачи стабилизируется на данном уровне. При дальнейшем бурении скважины, в случае падения давления, для поддержания требуемого режима работы ВЗД скорость подачи долота увеличивают, но как только она достигла максимально допустимого значения, рассчитанного по формуле (6), дальнейшая подача долота осуществляют на расчетной допустимой скорости, а режим работы двигателя меняется, и в этот период режим не соответствует номинальному. Такой режим продолжается до окончания мягкого пласта. При внедрении резцов долота в более твердую породу момент на долоте и нагрузка быстро увеличатся (из-за высокой скорости подачи инструмента), о чем свидетельствует рост рабочего давления, в это время уменьшают или полностью прекращают подачу долота, и возобновляют ее только после падения давления до рекомендуемой номинальной величины. Дальнейшая скорость подачи долота соответствует такому темпу, при котором механическая энергия на долоте будет постоянной и соответствовать рекомендуемой величине, при этом вес на крюке может изменяться в любых пределах, но не ниже минимально допустимого, указанного в документации. Предлагаемый способ может использоваться для контроля режима бурения, как для винтовых забойных двигателей, так и турбобуров.

Опыт бурения скважин в Западной Сибири показал, что время строительства скважин в идентичных условиях с применением одинаковой техники сильно отличается. Предполагалось, что это связано с чрезмерным износом рабочих органов двигателя, однако после снятия энергетических характеристик отработанных двигателей оказалось, что техническое состояние всех двигателей хорошее.

Последующими исследованиями было доказано, что на сроки строительства скважины пагубно влияет высокая скорость подачи инструмента при номинальном расходе на долоте механической энергии. Поскольку в случае контакта долота с более мягкой породой, наличие номинальной механической энергии на долоте приведет к очень глубокому врезанию не только резцов, но и лопастей долота. Т.е. произойдет прокалывание породы, порода при этом не срезается, а сминается и залипает на долоте и других элементах КНБК. Стенки ствола скважины по указанной причине имеют неровный вид, а ствол осложнен, поэтому его приходится перед наращиванием длительное время прорабатывать. Известны случаи, когда время проработки и промывки скважины перед наращиванием превышало время механического бурения в три - четыре раза. А соответственно и увеличились сроки строительства скважины. Внеся данные коррективы в контроль режима работы ВЗД путем ограничения скорости подачи инструмента до расчетной величины, исключаются дополнительные проработки и ускоряется процесс строительства скважин.

Таким образом, предлагаемый способ за счет учета влияния свойств разбуриваемых пород и своевременного изменения режима бурения, снижая скорость подачи инструмента до максимально допустимой величины, существенно повышает эффективность бурения.

Конкретное осуществление способа контроля режима работы гидравлического забойного двигателя рассмотрим на примере бурения скважин №1 и №2 Ем-Еговского месторождения Тюменской обл. Бурение скважины осуществлялось винтовым забойным двигателем ДР-178. 6/7.62 с глубины 738-747 м. Первой пробурена скважина №1 с использованием известного способа контроля режима работы двигателя - прототипа. За первые сутки пройдено 161 м за 10 часов работы ВЗД, средняя механическая скорость составила 121,1 м/час, т.е. из 10 ч работы ВЗД всего лишь 1,33 ч было чистого бурения.

В процессе бурения мягких пород механическая скорость достигала 250 м/час. Технологическая скорость проходки, включающая время промывок и проработок перед наращиванием составила 16,1 м/час. При бурении скважины №2 на этом же кусту, согласно формулы предлагаемого изобретения определено допустимое значение скорости подачи инструмента, которое составило 100 м/ч при бурении без вращения инструмента и 130 м/ч при вращении инструмента ротором 60 об/мин. Бурение скважины №2 выполнялось в аналогичных режимах как скважины №1 за исключением скорости бурения участков мягких пород, где скорость подачи инструмента ограничивалась расчетными значениями. В результате за 10 часов работы ВЗД пройдено 426 м за 5,39 часа чистого бурения, средняя механическая скорость составила 79 м/ч, что на 35% ниже, чем в первой скважине. Несмотря на то, что средняя механическая скорость при бурении второй скважины снизилась, за одинаковое время работы ВЗД пробурено в 2,64 раза больше метров, и технологическая скорость поднялась до 42,6 м/ч.

Предлагаемый способ контроля режима работы гидравлического забойного двигателя в забойных условиях позволил с достаточно высокой точностью контролировать и управлять режимом работы двигателя при входе и выходе долота в мягкие породы, что улучшило очистку забоя и долота. В результате прекратились сальникообразование, улучшилась проходимость КНБК в стволе скважины. Технологическая скорость проходки возросла в 2,64 раза. Время работы ВЗД при бурении всей скважины уменьшилось, а соответственно и снизился износ двигателя. Предлагаемый способ позволил повысить точность контроля режима работы гидравлического забойного двигателя в забойных условиях, особенно при разбуривании слабосцементированных мягких горных пород, быстро изменить режим работы двигателя при изменившихся забойных условиях, уменьшить время эксплуатации двигателя и интенсивность износа, улучшить очистку забоя от выбуренной породы, повысить технологические показатели бурения и долговечность рабочих органов двигателя, снизить затраты на их содержание, экономить время бурения скважины.

Способ контроля режима работы гидравлического забойного двигателя в забойных условиях, включающий замеры показаний давления в нагнетательной линии под нагрузкой и без нагрузки на долото, поддержание постоянной разницы замеренных показаний давлений, отличающийся тем, что определяют максимально допустимую величину скорости подачи (Vп.доп) долота по формуле:
Vп.доп=a·h·n, м/ч,
где Vп.доп - максимально допустимая скорость подачи долота, м/ч;
a - экспериментальная величина, зависящая от пластичности пород (0,5-0,95)об^-1;
h - высота рабочей части резцов долота, м;
n - частота вращения долота, об/ч;
осуществляют замеры скорости подачи долота и в случае ее превышения выше максимального допустимого значения снижают до Vп.доп.