Общество инженеров нефтегазовой промышленности (SPE)

Долгопольский Александр Львович Главный редактор журнала «Инженерная практика»

Настоящая статья написана главным редактором журнала «Инженерная практика» Александром Долгопольским в качестве краткого обзора публикации SPE 173007-MS “Percussion Drilling System Combined with Hybrid PDC Bit Increases ROP and Interval Drilled on Taoudenni Basin Well in Mauritania”. Данную публикацию подготовили Scott Powell, Alexis Garcia, Hector Barocio (NOV) и Alvaro Alonso (Repsol) для Конференции по бурению Международной ассоциации буровых подрядчиков и Общества инженеров нефтегазовой промышленности (IADC/SPE), проведенной 17-19 марта 2015 года в г. Лондоне. Публикация не рецензировалась.

По утверждению авторов, бурение скважин на вышеупомянутые объекты представляет собой достаточно сложную и дорогостоящую задачу вследствие исключительно высокой прочности пород на сжатие – 200-400 МПа. Прежде всего, в данном случае речь идет о доломитизированном известняке, наличие которого в составе буримых пород определяло необходимость использования самых массивных и абразивостойких долот PDC, импрегнированных и шарошечных долот, что, впрочем, не давало требуемого результата.

Авторы решили обратиться к давно известному ударному способу бурения скважин, изменив принцип работы и состав скважинного оборудования. Если исторически в качестве рабочего агента для приведения молота в действие использовались газы – воздух или азот, то новшество рассматриваемого проекта состояло в приведении механизма в действие за счет связки с гидравлическим винтовым забойным двигателем (ВЗД). Кроме того, в паре с компоновкой низа бурильной колонны (КНБК) нового типа использовалось специально разработанное гибридное долото PDC.

Для создания ударного воздействия на долото была разработана специальная конструкция, состоящая из рабочей пары ВЗД, общего корпуса и встроенного в него роликового механизма, приводящего в осевое движение сердечник (рис. 5.1). Это устройство, получившее название «Гидравлический буровой молот (ГБМ)» (Fluid powered percussion hammer, FPPH), приводится в движение винтовой парой ВЗД за счет гидравлической энергии циркуляции бурового раствора. Таким образом, скорость хода сердечника не зависит от скорости вращения бурильной колонны и пропорциональна скорости вращения долота при турбинном бурении. При этом средняя рабочая нагрузка на долото и крутящий момент на долоте остаются прежними. Частота работы ГБМ зависит от расхода бурового раствора и может регулироваться изменением геометрии устройства, т.е. варьированием числа «подъемов и падений» ролика за один оборот ротора ВЗД. Стандартный для ГБМ диапазон частот составляет от 3 до 10 Гц. Благодаря высокочастотному ударному воздействию значения нагрузки на долото колеблются в некотором диапазоне, что также циклически изменяет величину крутящего момента на долоте и осевого ускорения колонны (рис. 5.2). Как поясняют авторы, положительный эффект системы ГБМ в случае использования долот PDC возникает вследствие быстрого циклического изменения глубины резания, в результате которого резцы быстрее «находят» необходимую для преодоления сопротивления породы силу резания. Частота подклинок долота сокращается, эффективность породоразрушения возрастает и механическая скорость проходки увеличивается.

Однако, как подчеркивают авторы, обособленное применения ГБМ само по себе не могло решить поставленную задачу без внесения соответствующих изменений в конструкцию долота. Итоговым вариантом стало «гибридное долото», представляющее собой восьмилопастное долото PDC с запрессованными в матрицу дополнительными элементами из поликристаллических алмазов (рис. 5.3). Вооружение долота сконфигурировано таким образом, что после износа основных резцов PDC в работу вступают дополнительные элементы с перемалывающим механизмом породоразрушения. Общая же конфигурация вооружения способствует лучшему восприятию ударных нагрузок. Как утверждают авторы, переход от режущего воздействия к перемалывающему происходит постепенно и плавно с эффектом «самозатачивания» изнашивающихся элементов. Целью разработки было уйти от необходимости частых спускоподъемных операций (СПО) для замены долот по причине их износа, а также при изменении скорости вращения ВЗД и по мере перехода от породы одного типа к другой.

Можно сказать, что гибридное долото по замыслу авторов должно было стать своего рода комбинацией стандартного долота PDC и импрегнированного долота – именно долота этих типов показывали наилучший результат при бурении соседней скважины по соотношению проходки на долото и МСП (рис. 5.4). Всего при бурении соседней скважины были отработаны 27 долот.

В рассматриваемом случае для бурения первого интервала высокотвердых пород использовали комбинацию низкоскоростного ВЗД (НВЗД) и стандартного долота PDC. По словам авторов, такое сочетание не обеспечило достаточного переноса веса колонны на долото, вследствие чего долото пришлось извлечь после всего лишь 49 м проходки со средней скоростью 1,46 м/ч.

На втором интервале сочетание ГБМ и долота PDC c длиной резцов 13 мм также не дало ожидаемых результатов, хотя долото было извлечено в гораздо лучшем состоянии, чем предыдущее. Проходка составила 42,5 м со скоростью 1,47 м/ч, частотой ударного воздействия 7-11 Гц и нагрузкой на долото от 5 до 15 тонн. Авторы причиной неудачного рейса считают слишком массивное вооружение долота, не обеспечившее необходимой глубины резания.

Положительной динамики удалось добиться только после замены долота на гибридное. В этой комбинации при частоте ударного воздействия 7-9,5 Гц долото прошло 188,5 м со средней МСП 2,05 м/ч. И, наконец, после замены долота на аналогичное, но оптимизиро-ванной конструкции, компоновка прошла рекордные для месторождения 470 м с рекордной же средней МСП 3,9 м/ч (рис. 5.5). Далее бурение до проектного забоя продолжили, скомбинировав гибридное долото с НВЗД по причине отсутствия запаса ГБМ.

В итоге примененная технология позволила пробурить скважину существенно быстрее плана и с меньшими затратами на долота. Общая экономия по словам авторов составила $6,7 млн при общих плановых затратах $22,8 млн.