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 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.

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).

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.

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.

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.