Применение электроплазменных установок для бурения твердых пород и резки обсадных труб
Авторы рассматриваемой работы описывают интересное и совершенно инновационное направление в области внутрискважинных технологий. По их утверждению, в настоящее время исследовательские группы по всему миру изучают возможности применения целого ряда «бесконтактных» методов породоразрушения, включая лазерные, гидравлические, электроплазменные, ультразвуковые, микроволновые и ряд других. Однако лишь очень немногие из разработок к настоящему времени достигли стадии испытания прототипов в лабораторных или полевых условиях. К числу таковых относится разработанная и совершенствуемая авторами скважинная электроплазменная установка.
![](https://glavteh.ru/wp-content/uploads/2017/12/alex_avatar_photo_500x500px-e1514121006827-69x91.png)
Настоящая статья написана главным редактором журнала «Инженерная практика» Александром Долгопольским в качестве краткого обзора публикации SPE 173016-MS “Utilization of Electrical Plasma for Hard Rock Drilling and Casing Milling”. Данную публикацию подготовили Igor Kocis, Tomas Kristofic, Matus Gajdos, Gabriel Horvath и Slavomir Jankovic (GA Drilling AS) 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.
Коротко разобрав принципиальные ограничения традиционных технологий бурения с их постоянным соревнованием в твердости между буримой породой и породоразрушающим инструментом с «выяснением отношений в прямом контакте», авторы отмечают, что их разработка полностью переворачивает всю теорию бурения с ног на голову, или, возможно, наоборот.
Основным рабочим механизмом плазменного бурения служит электродуга, превращающая водяной пар в плазму, а конечным продуктом становится чистая конденсированная вода. Порода разрушается прямым высокотемпературным воздействием. И поэтому, по словам авторов, ключевое отличие плазменного бурения от механического состоит в том, что определяющую роль начинают играть не механические (твердость, прочность на сжатие и т.п.), а термические характеристики породы (температура плавления, температура кипения, вязкость расплавленной породы, теплопроводность). И, что особенно интересно, некоторые из наиболее сложно разбуриваемых механическим способом пород (базальт, гранит, андезит и т.п.) лучше всего поддаются высокотемпературному разрушению.
Бурение производится бесконтактным способом, а значит, проблемы износа бурового долота и передачи нагрузки на долото с преодолением трения колонны о стенки скважины не стоят вовсе. Вибрация, естественно, тоже отсутствует. В свою очередь, включение в плазменную компоновку низа бурильной колонны (КНБК) спектрометрической аппаратуры позволяет оперативно определять характеристики пород посредством анализа спектра их излучения.
![Рис. 6.1. Прототип скважинного плазменного инструмента](http://glavteh.ru/wp-content/uploads/2017/06/ris.-6.1.-prototip-skvazhinnogo-plazmennogo-instrumenta-500x326.png)
![Рис. 6.2. Узконаправленный поток плазмы стандартного плазменного резака (слева) в сравнении с широкой зоной обработки инновационного инструмента (справа)](http://glavteh.ru/wp-content/uploads/2017/06/ris.-6.2.-uzkonapravlennyy-potok-plazmy-standartnogo-plazmennogo-500x230.png)
Авторы поясняют, что разработанная ими плазменная буровая установка (рис. 6.1) значительно отличается от стандартных промышленных установок плазменной резки. Прежде всего, конструкция обеспечивает максимальную передачу поверхности породы температуры электродуги в десятки тысяч градусов Кельвина, тогда как разделяющая их струя газа нагревается минимально. Еще одно важное отличие состоит в том, что плазменная КНБК за счет спиральной формы дуги создает относительно гомогенную широкую зону обработки породы, в отличие от узконаправленной струи плазмы стандартных резаков (рис. 6.2). Наконец, работающая на водяном паре плазменная установка также обладает электрогидравлическим эффектом – создает волны давления, способствующие разрушению породы и удалению дезинтегрированного материала.
В зависимости от создаваемой установкой температуры воздействия, преимущественно задействуется один из трех механизмов разрушения породы – раскалывание, расплавление или испарение. Какой из этих механизмов будет предпочтителен в каждом конкретном случае, определяют термические свойства породы, которые, в свою очередь, анализируются в режиме реального времени по данным спектроскопии.
К настоящему времени авторы уже успели испытать технологию на породах различных типов, включая известняк, песчаник, галиты и гранит. Так, например, температура кипения галита (NaCl) относительно низка (1686 K), и поэтому самым эффективным механизмом его плазменного разрушения будет испарение. В то же время кварцит проще разрушать по методу раскалывания в силу высокого внутреннего напряжения этой породы. Разрушающее воздействие в данном случае оказывают импульсы давления частотой в несколько наносекунд.
Авторы провели испытания прототипа скважинной установки диаметром порядка 100 мм на полигоне в Словакии (рис. 6.3).
![Рис. 6.3. Опытная установка на полигоне близ поселка Крнча в Словакии](http://glavteh.ru/wp-content/uploads/2017/06/ris.-6.3.-opytnaya-ustanovka-na-poligone-bliz-poselka-krncha-v-slovakii-740x321.png)
Наряду с основным предназначением – плазменным бурением скважин, в ходе разработки и совершенствования технологии авторы обнаружили довольно много сопутствующих направлений использования модификаций установки. Один из основных – резка обсадных труб в ходе ликвидации скважин. На самом деле, по словам авторов, уже есть целый список побочных направлений, изучение которых расписано на несколько лет вперед.
Преимущества разработанной технологии в отношении резки металлических труб по сравнению со стандартными плазменными горелками авторы объясняют усовершенствованной конструкции установки. Прежде всего, это большое сечение струи плазмы, формируемое вращающейся электродугой, а также плазмои термохимическое воздействие на металл, приводящие к быстрому разрушению материала и удалению его остатков в окружении водяного пара. В процессе участвуют механизмы окисления, расплавления и испарения. При этом, как подчеркивают авторы, окисление металла – процесс экзотермический, также способствующий достижению поставленных целей. Окислением сопровождаются процессы расплавления и испарения, протекающие при температурах до 3500 К.
Авторы описывают эксперимент по резке обсадной трубы, для которого стальную трубу с внутренним диаметром 98 мм и толщиной стенки 10 мм поместили в кожух из 10-мм слоя цемента и внешней стальной трубы (рис. 6.4). Эксперимент проводился в воздушной среде с генератором плазмы, работавшим на мощности 60 кВт. За 180 секунд установка полностью удалила участок трубы длиной 0,15 м. Таким образом, при затраченной энергии порядка 2,7 МДж/кг скорость удаления металла составила приблизительно 70-80 кг/ч.
![Рис. 6.4. Экспериментальная плазменная резка обсадной трубы в динамике](http://glavteh.ru/wp-content/uploads/2017/06/ris.-6.4.-eksperimentalnaya-plazmennaya-rezka-obsadnoy-truby-v-dinamike-740x357.png)
![Рис. 6.5. Зависимость напряжения плазменной дуги от давления водяного пара](http://glavteh.ru/wp-content/uploads/2017/06/ris.-6.5.-zavisimost-napryazheniya-plazmennoy-dugi-ot-davleniya-500x386.png)
водяного пара
При этом из работы следует, что пока в отношении перспектив применения технологии остается довольно много вопросов. Так, например, не до конца исследовано влияние повышения напряжения дуги на эффективность породоразрушения. В частности, авторы указывают на рассчитанное соотношение давления водяного пара и напряжения, необходимого для поджига и поддержания дуги (рис. 6.5). Теоретически, повышение напряжения должно приводить к увеличению механической скорости проходки, однако у этого явления есть и негативное влияние на срок службы электродов.
![Рис. 6.6. Плазменный поршень, формируемый вращающейся плазменной дугой](http://glavteh.ru/wp-content/uploads/2017/06/ris.-6.6.-plazmennyy-porshen-formiruemyy-350x351.png)
Наконец, к числу интересных перспективных направлений использования плазменной технологии авторы относят новые методы повышения нефтеотдачи и обеспечение устойчивости стенок скважины. В первом случае эффект основывается на импульсном волновом воздействии плазменной дуги на коллектор. Генератор в импульсном режиме подает на электрод ток высокой силы, в результате чего дуга циклически расширяется и создает в коллекторе волны давления, вытесняющие углеводороды из низкопроницаемых пластов (рис. 6.6).
В свою очередь, развитие идеи укрепления стенок бурящихся скважин запланировано авторами на более поздние периоды. Однако авторы приоткрывают завесу – речь идет о напылении металла на стенки ствола. По словам авторов, такая технология теоретически может быть применена как для временного укрепления стенок ствола в процессе бурения, так и для формирования постоянных обсадных колонн или ликвидации негерметичности обсадных колонн в рамках ремонтно-изоляционных работ.
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.