Метод забезпечення експлуатаційної надійності та оцінки залишкового ресурсу елементів бурильної колони

Метод забезпечення експлуатаційної надійності та оцінки залишкового ресурсу елементів бурильної колони

МЕТОД ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНОЇ НАДІЙНОСТІ ТА ОЦІНКИ ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ ЕЛЕМЕНТІВ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ

Юрич Л.Р.

Постановка проблеми. На сьогодні розвиток нафтогазовидобувної промисловості характеризується зростанням обсягів буріння похило-скерованих та горизонтальних свердловин [1-3]. Не є виключенням у даному аспекті і Україна. При чому споруджуються як нові свердловини, так і проводять зарізання додаткових бокових стволів у свердловинах старого фонду, які вважалися нерентабельними. Проведення таких робіт підвищує вимоги до надійності обладнання в цілому і бурильної колони (БК) зокрема.

Проблема забезпечення надійної експлуатації бурильної колони залишається актуальною, оскільки показники надійності суттєво залежать не лише від конструкції і технології виготовлення елементів колони, але й від діючих навантажень. Рівень навантажень, що діють на елементи бурильної колони у свердловині, визначається станом стовбура свердловини та інтенсивністю його викривлення, властивостями гірських порід, режимами буріння, озброєнням долота тощо. Особливої актуальності проблема набуває в складних геологічних та технічних умовах буріння [4; 5].

Аналіз досліджень і публікацій пов’язаних із забезпеченням експлуатаційної надійності елементів бурильної колони [6] вказує на відсутність єдиного підходу до вирішення цієї задачі. Поодинокими є дослідження орієнтовані на практичне застосування теоретичних основ, які б узгоджувались з результатами їх промислового впровадження.

Прогнозування довговічності та забезпечення експлуатаційної надійності елементів БК можливе тільки при постійному моніторингу їх на- вантаженості з врахуванням впливу режимних параметрів буріння і стану озброєння долота.

В Україні та за кордоном основні обсяги буріння нафтових і газових свердловин припадають на шарошкові долота [7]. За даними [8] співвідношення між обсягами буріння шарошковими долотами та долотами РБС складає 75% і 25% відповідно. В той же час світові тенденції вказують на те, що буріння долотами РБС характеризується кращими техніко економічними показниками. Конструкція таких доліт забезпечує тривалий ресурс експлуатації і високі швидкості буріння. Завдяки цьому зменшується кількість спуско- підіймальних операцій. Визначальним чинникомпри виборі типу долота є властивості розбурю- ваних ним порід. Долота РБС руйнують гірську породу шляхом різання, що є набагато ефективнішим, ніж дроблення. Основна причина виходу з ладу таких доліт є їх пошкодження через ударні навантаження [9, 10]. Зважаючи на доцільність використання для спорудження свердловин доліт РБС у поєднанні з вибійними двигунами необхідним є дослідження динамічних навантажень спричинених взаємодією долота з вибоєм і зокрема питання впливу стану озброєння долота на динаміку його роботи. Це дасть змогу запроектувати раціональні режими буріння, розробити заходи щодо оптимізації конструкції компоновок низу бурильної колони (КНБК) та забезпечення надійності її елементів. При цьому першочерговим завданням є розроблення методу, який би дозволяв оперативно оцінювати фактичні навантаження, ризики відмов та коригувати режими буріння з метою підвищення ефективності проведення робіт.

Метою статті є - розроблення методу забезпечення експлуатаційної надійності та оцінки залишкового ресурсу елементів бурильної колони.

Виклад основного матеріалу. Для оцінки ефективності руйнування гірської породи необхідно звернути увагу на те що: відсутні точні методи оцінки процесу, недостатньо обґрунтовано фізичний механізм динамічного вдавлювання різця долота в гірську породу, відсутні критерії міцності для всіх типів гірських порід, відсутні критерії ефективності динамічного процесу рі- зання-сколювання гірських порід.

Для дослідження руйнування гірської породи в системі «різець-гірська порода» необхідно враховувати чинники від «статичного вдавлювання» до «динамічного зрізання» [7-10]. Траєкторія руху різця долота носить експоненціальний характер, який залежить від сили різання, властивостей гірської породи і власних властивостей породоруйнівного інструменту. За розміром частинок вибуреної гірської породи можна оцінити як вдавлювання окремих елементів так і долота. На показники роботи доліт впливають різні фактори, основні з яких [7-10]: осьове навантаження на долото, швидкість обертання долота, витрата промивальної рідини і фізико-механічні властивості гірських порід. В численних дослідженнях як вітчизняних, так і закордонних науковців [7;11], основна увага приділялась впливу технологічних чинників (режимів буріння) на механічну швидкість проходки. В той же час в недостатній мірі досліджено питання впливу стану озброєння долота на динаміку його роботи, що обумовлює динамічне навантаження на елементи КНБК та бурильну колони в цілому.

Класифікації та оцінці основних видів навантажень, що діють на бурильну колону присвячені праці багатьох вітчизняних та зарубіжних вчених [12]. Згідно з їх висновками можна виділити наступні основні навантаження: осьові зусилля навантаження від власної ваги колони; осьові навантаження стиску в нижній частині колони, спричинені прикладанням навантаження на долото; згинаючий момент, який виникає під час роботи елементів БК у викривлених ділянках свердловини; згинаючий момент, викликаний втратою стійкості і відцентровими силами під час обертання; крутний момент у процесі роторного буріння; динамічні навантаження при спуско-пі- діймальних операціях; навантаження від різниці тиску бурового розчину всередині та ззовні БК; динамічні навантаження спричинені вібраціями БК від роботи долота і нерівномірністю подачі бурового розчину.

Для визначення величини зазначених видів навантажень науковці найчастіше використовують аналітичні методи, експериментальні дослідження в лабораторних умовах і комп’ютерне моделювання [12; 13]. За їх результатами прогнозують довговічність та залишковий ресурс елементів БК.

На практиці для оцінки навантажень у переважній більшості [14] використовують технічні засоби та вимірювальні комплекси, які встановлюються на денній поверхні. За отриманими з їх допомогою даними проводять оцінку навантажень, що діють на глибинне обладнання. Такий підхід не дає змоги достовірно оцінити фактичні навантаження. Це пояснюється тим, що в глибинних умовах вони можуть суттєво відрізнятись від зареєстрованих на денній поверхні. Підтвердженням цього є результати випробувань конструкцій пристроїв та систем для визначення навантажень в промислових умовах [15], які нажаль не знайшли широкого застосування на практиці. бурильний колона породоруйнівний ресурс

Одними із широко використовуваних у практиці буріння є вимірювальні комплекси зорієнтовані на контроль просторового положення свердловини та проведення в процесі буріння геофізичних досліджень. Це зумовлює певний дефіцит промислової інформації, щодо фактичної навантаженості бурильної колони, та змушує дослідників, які займаються вирішенням даної проблеми, створювати нові конструкції пристроїв для вимірювання силових параметрів безпосередньо в процесі буріння [16]. Однак, безпосередньо, наявність пристроїв не вирішує проблеми забезпечення експлуатаційної надійності елементів БК. В цьому аспекті залишається актуальним розроблення комплексного підходу до її вирішення. Такий підхід повинен включати теоретичні засади проектування раціональних режимів буріння та експлуатації глибинного обладнання, що є можливим за умов безперервного моніторингу навантажень, які діють на нього. Отримана інформація є основою для оцінки на- робітку, ризику відмов елементів КНБК та коригування, за необхідності, як конструкції бурильної колони так і режимів її експлуатації.

З метою забезпечення експлуатаційної надійності, а саме прогнозування залишкового ресурсу елементів БК пропонується метод алгоритм реалізації якого зображено на рисунку 1. В основі методу лежить ідея постійного моніторингу режимно-технологічних параметрів буріння, силових і кінематичних характеристик БК, стану озброєння породоруйнівного інструменту, оцінці їхнього взаємозв’язку та впливу на експлуатаційну надійність елементів БК і КНБК зокрема. Він передбачає наявність декількох етапів.

Рис. 1. Алгоритм забезпечення експлуатаційної надійності та оцінки залишкового ресурсу елементів бурильної колони

Етап перший - проектування раціональних режимів буріння та експлуатації глибинного обладнання. На цьому етапі перш за все слід провести аналіз навантажувальних факторів для конкретних умов буріння. За його результатами необхідно здійснити підбір конструкції КНБК з вказанням типу і місця встановлення вимірювальної апаратури. Встановити оптимальні режимні параметри буріння з метою мінімізації вібрацій КНБК без зниження техніко-економіч- них показників.

Етап другий - моніторинг в процесі буріння фактичних величин навантажень, які сприймають елементи КНБК, та стану озброєння долота, що має суттєвий вплив на формування їх динамічних складових.

До прикладу, контроль за кінематичними параметрами вібраційних процесів бурильної колони можна здійснити двома способами. Перший - це спущення в колону бурильних труб глибинного пристрою для вимірювання або включення його до її конструкції. При цьому кінематичні характеристики процесу реєструються безпосередньо у місці встановлення вимірювального засобу і відрізнятимуться від фактичних тільки на величину похибки вимірювань. Разом з тим виникають труднощі з передачею якісного сигналу на денну поверхню, а у випадку накопичення записів на «карту-пам’яті» неминучою є затримка у отриманні інформації, яка пов’язана з необхідністю підйому пристрою на денну поверхню для її зчитування. Другий спосіб - це вимірювання кінематичних характеристик коливань на усті з подальшою оцінкою вібрації глибинного обладнання за допомогою наявного математичного апарату та розроблених методик [17; 18]. За цих умов є можливість практично одразу здійснювати обробку результатів, однак якісна і кількісна оцінка фактичної величини характеристик може відрізнятись в залежності від методів та основних принципів переходу від замірів на усті свердловини до коливань глибинного обладнання.

Що стосується оцінювання стану озброєння долота, то для цього слід проводити фракційний аналіз шламу, контролювати величину механічної і рейсової швидкості буріння та частоту коливань долота. На основі аналізу отриманої поточної інформації приймається рішення про доцільність продовження або припинення довбання з метою заміни долота чи уникнення поломки елементів КНБК.

У випадку використання глибинного пристрою з накопиченням записів на «карту-пам’яті» має місце третій етап, що полягає в уточненій оцінці залишкового ресурсу за результатами довбання. Після закінчення довбання здійснюється підйом колони, зчитування інформації з глибинних реєстраторів, їх обробка та визначення динамічних навантажень.

Висновки

На основі аналізу проблеми забезпечення надійності бурильної колони запропоновано комплексний метод, який реалізується шляхом проектування раціональних режимів експлуатації та моніторингу процесу буріння. Цього досягається контролем режимно-технологічних параметрів буріння, силових і кінематичних характеристик БК та стану озброєння породоруйнівного інструменту. За результатами оцінки їх взаємозв’язку та взаємовпливу приймається рішення про доцільність продовження або припинення довбання з метою уникнення поломки елементів КНБК чи заміни долота.

Подальші дослідження слід спрямувати на перевірку запропонованого методу в лабораторних і промислових умовах та розробленні технічних засобів для його реалізації.

Список літератури

1. Івасів В. М. Аналіз причин руйнування елементів бурильної колони [Текст] / В. М. Івасів, Я. С. Гриджук, Л. Р. Юрич // Технологічний аудит та резерви виробництва. - 2014. - № 6/4 (20). - С. 15-17. doi:10.15587/2312- 8372.2014.31838.

2.      Мислюк М. А. Буріння свердловин. У 5-и томах: довідник. Т. 1 / М. А. Мислюк, І. Й. Рибчич, Р. С. Яремійчук. - К.: Інтерпрес ЛТД, 2002. - 298 с.

3.      Гутак О. В. Аналіз мультиколінеарності критеріїв оптимальності процесу буріння нафтових і газових свердловин долотами типу PDC / О. В. Гутак. - Нафтогазова енергетика № 1 (12), 2010. - 98-101 с.

4.      Гуляєв В. І. Неголомна динаміка долота бурильної колони в глибокій свердловині / В. І. Гуляєв, О. І. Борщ, Л. В. Шевчук. - Збірник наукових праць НТУ, 2011. - 297-301 с.

5. Нургалеев А. Р. Численное моделирование колебаний КНБК в режиме stick-slip при бурении долотами PDC / А. Р. Нургалеев, В. С. Тихонов. - «Нефть. Газ. Новации» - № 1/2011. - С. 3-8.

6.      Абатуров В. Г. Физико-механические свойства горных пород и породоразрушающий буровой инструмент / Учебное пособие для вузов. - Тюмень: Нефтегазовый университет, 2007. - 269 с.

7.      Івасів В. М. Проблеми забезпечення експлуатаційної надійності елементів бурильних колон. [Текст] / В. М. Івасів, Я. С. Гриджук, Л. Р. Юрич // Технологічний аудит та резерви виробництва. - 2015. - № 6/6 (26). - С. 41-44. doi:10.15587/2312-8372.2015.55851.

8.      Dynamic Analysis of Stabilized Drilling Strings Performance in Low-Dip Wells [Electronic resource]. - Available

9.      Калинин А. Г., Ганджумян Р. А., Мессер А. Г. Справочник инженера-технолога по бурению глубоких скважин / Под ред. Проф. А. Г. Калинина. - М., ООО «Недра-Бизнесцентр», 2005. - 808 с.

10.    Грачев Ю. В. Автоматический контроль в скважинах при бурении и експлуатации // Ю. В. Грачев, П. С. Варламов. - М.: Недра, 1968. - 178 c.

11.    Юрич А. Р. Пристрій для оцінювання напружено-деформованого стану компоновок низу бурильної колони / А. Р. Юрич. - Вісник Національного технічного університету «ХПІ» Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. -2014р. - № 7 (1050) - С. 16-20.

12.    Гриджук Я. С. Прогнозування довговічності елементів бурильної колони при вібраційному навантаженні [Текст]: автореф. дис. на здобуття ступеня канд. техн. наук: спец. 05.05.12 «Машини нафтової та газової промисловості» / Івано-Франків. нац. техн. ун-т нафти і газу. - Івано-Франківськ, 2013. - 20 с.

13.    Огородніков П. І. Аналіз вібраційної міцності бурильної колони з використанням теорії випадкових коливань. [Текст] / П. І. Огородніков, В.М. Світлицький, В.І. Гоголь // Нафтогазова галузь України. - 2013. - № 2. - С. 13-17.

Анотація

Ключові слова: режими буріння, бурильна колона, породоруйнівний інструмент, експлуатаційна надійність, залишковий ресурс.