CC BY
16ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
УДК 621.644.074
Р.А. Капаев1, e-mail: KapaevRA@ak.transneft.ru; Д.Р. Вафин2, e-mail: VafinDR@niitnn.transneft.ru;
З.З. Шарафутдинов2, e-mail: SharafutdinovZZ@niitnn.transneft.ru; Д.А. Шаталов2, e-mail: ShatalovDA@niitnn.transneft.ru
1 ПАО «Транснефть» (Москва, Россия),
2 ООО «НИИ Транснефть» (Москва, Россия).
Особенности выбора расширителей пилотной скважины для строительства переходов трубопроводов
В статье рассматриваются вопросы разработки требований для выбора типа вооружения и конструкции породораз-рушающего инструмента, используемого для расширения пилотного ствола скважины при строительстве переходов трубопроводов методом наклонно-направленного бурения. Главным фактором, влияющим на успех строительства, является качество скважины, подготовленной к протаскиванию дюкера. Качество скважины во многом зависит от эффективности применяемых расширителей, что связано с наличием в разрезе ствола скважины сочетания интервалов, представленных устойчивыми глинистыми и неустойчивыми несцементированными грунтами. Чем быстрее будет построен ствол скважины, тем больше вероятность сохранения грунтов в устойчивом состоянии. Увеличение сроков строительства создает предпосылки для разрушения стенок скважины и создания различных осложнений в процессе бурения.
Выдвинуто предположение, что для большинства грунтов наиболее приемлемо вооружение, предназначенное для прохождения мягких пород. Однако конструкция применяемых расширителей, размещение вооружения не в полной мере соответствуют условиям их применения в разрезах, сложенных грунтами, в состав которых входит галечник. Кроме того, анализ работы породоразрушающего инструмента для расширения пилотной скважины показывает, что не в полной мере учитывается необходимость управления компоновкой бурильной колонны в зоне работы расширителей.
Сделан вывод о необходимости дальнейшего совершенствования конструкций расширителей для успешного строительства переходов трубопроводов методом наклонно-направленного бурения. Правильный подбор породоразрушающего инструмента позволит повысить эффективность буровых работ, снизить риски возникновения аварийных ситуаций, увеличить скорость строительства, что в конечном счете благоприятно отразится на финансовом положении предприятия.
Ключевые слова: наклонно-направленное бурение, строительство, расширитель, породоразрушающий инструмент, переход трубопровода, подводный переход магистрального трубопровода, ствол скважины, горно-геологические условия.
R.A. Kapaev1, e-mail: KapaevRA@ak.transneft.ru; D.R. Vafin2, e-mail: VafinDR@niitnn.transneft.ru;
Z.Z. Sharafutdinov2, e-mail: SharafutdinovZZ@niitnn.transneft.ru; D.A. Shatalov2, e-mail: ShatalovDA@niitnn.transneft.ru
1 Transneft PJSC (Moscow, Russia).
2 The Pipeline Transport Institute LLC (Moscow, Russia).
Features Choice of Reamers Pilot Well for Construction of Pipeline Crossings
The article deals with the development of requirements for the selection of the type of weapons and the design of rock-cutting tools used to expand pilot hole of the well in the construction of pipeline crossings by the directional drilling method. The main components that affect the success of the construction is the quality of the well prepared for dragging the sag line. The quality of the well depends largely on the efficiency of the reamers used, which is due to the presence in the section of the well of a combination of intervals represented by stable clay soils and unstable uncured soils. The faster the borehole is built, the greater the probability of soil conservation in a stable state. The increase in construction time creates the conditions for the destruction of the walls of the well and the creation of various complications in the drilling process.
82
№ 7-8 август 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
The provisions are put forward that for the majority of soils the most acceptable weapons intended for the passage of soft rocks. However, the design of the used reamers, the placement of weapons does not fully comply with the conditions of their use in sections, folded soils with the presence of pebbles in their composition. Consideration of the issues of rock-cutting tools for the expansion of the pilot well also shows that the need to control the layout of the drill string in the area of expanders is not fully taken into account.
All these unresolved issues show the need to further improve the design of reamers for the successful construction of pipeline crossings by directional drilling method. Proper selection of rock-cutting tools allows to increase the efficiency of drilling operations, reduces the risk of accidents, increases the speed of construction and ultimately leads to financial success.
Keywords: directional drilling method, construction, reamer, rock-cutting tool, pipeline crossing, underwater crossing of main pipeline, well bore, mining and geological conditions.
Успешность строительства переходов трубопроводов через естественные и искусственные преграды методом наклонно-направленного бурения зависит от эффективности работы применяемого бурового оборудования. Главным фактором, влияющим на успех строительства, является качество скважины, подготовленной к протаскиванию дюкера. Качество скважины, в свою очередь, во многом зависит от эффективности применяемых расширителей. Это связано с наличием в разрезе ствола скважины сочетания интервалов, представленных устойчивыми глинистыми и неустойчивыми несцементированными грунтами. Чем быстрее будет построен ствол скважины, тем больше вероятность сохранения грунтов в устойчивом состоянии. Увеличение сроков строительства создает предпосылки к разрушению стенок скважины и возникновению различных осложнений в процессе бурения [1-4]. Правильный подбор породоразрушаю-щего инструмента позволяет повысить эффективность буровых работ, снизить риски возникновения аварийных ситуаций, увеличить скорость строительства и в конечном счете приводит к финансовому успеху. Таким образом, подбор необходимого типа расширителей и оценка их эффективности являются сложными инженерно-техническими задачами, которые каждое предприятие решает самостоятельно. Зачастую вид используемого инструмента зависит от
субъективного выбора инженерно-технического персонала строительной организации.
Цель, поставленная авторами данной статьи: определить параметры вооружения и конструкции расширителей, необходимые для расширения пилотного ствола скважины в разных литологи-ческих условиях, встречаемых в створе перехода трубопровода.Предварительный поиск методик подбора оптимального вооружения расширителей и их конструкции применительно к горногеологическим условиям строительства переходов не привел к положительным результатам. На сегодняшний день авторам статьи не известны публикации в открытой печати и специальной литературе, посвященные данной проблеме, а многочисленные сведения рекламной направленности носят коммерческий характер и не позволяют сделать необходимый выбор оборудования с учетом условий его эксплуатации. Производимые в России и за рубежом расширители классифицируются упрощенно, без пояснений и описания технических характеристик, особенностей их применения. В основном документация на расширители подразделяет оборудование на предназначенное «для мягких грунтов», «для средних грунтов», «для твердых грунтов». Паспорт на расширитель содержит минимальный набор сведений. Например, паспорт на ример-расширитель 800 мм, резьба 6-5/8 FH, фирмы Robbins HDD
содержит следующие сведения: «Расширитель предназначен для разрушения породы и увеличения диаметра скважины. Рабочими элементами являются боковые грани, усиленные твердосплавными резцами. На передней части имеет резьбу PIN для подсоединения к буровой штанге, на задней части имеет технологическое крепление в виде пластины с отверстием для крепления инструмента (в зависимости от требований технологического процесса). Расширитель изготовлен в соответствии со стандартом API SPEC 5DP и отвечает требованиям, предъявляемым к оборудованию, используемому в технологии горизонтально-направленного бурения. Основные технические данные: диаметр тела - 800 мм; резьбовые соединения -6-5/8 FH; сталь - S-135, высадка - IEU. Указания по эксплуатации: момент свинчивания резьбовых соединений трубы не должен превышать максимально допустимых значений 95 кН/м. Запрещается транспортировка волоком, сбрасывание,удары друг о друга и о металлические предметы. При транспортировке необходимо принять меры для надежной фиксации». Как видим из данного примера, производители оборудования предоставляют минимальное количество технической информации. Причина заключается в отсутствии технических требований к информации,которую необходимо предоставлять с оборудованием. Про-
для цитирования (for citation):
Капаев Р.А., Вафин Д.Р., Шарафутдинов З.З., Шаталов Д.А. Особенности выбора расширителей пилотной скважины для строительства переходов трубопроводов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 7-8. С. 82-94.
Kapaev R.A., Vafin D.R., Sharafutdinov Z.Z., Shatalov D.A. Features Choice of Reamers Pilot Well for Construction of Pipeline Crossings. Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2018, No. 7-8, P. 82-94. (In Russ.)
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
Таблица 1. Области применимости долот по твердости горных пород Table 1. Applications of bits depending on hardness of rocks
H = 0,305.p00,426,
(2)
Долота 1-го класса 1st class bit Долота 2-го класса 2nd class bit
Тип Type Я Н в Тип Type Я Н в
М (11, 12) 2,4 4,4 МЗ (51) 3,2 4,9
МС (13) 3,0 5,5 МСЗ (53) 4,5 7,7
С (21) 3,7 6,2 СЗ (54) 4,2 7,6
СТ (23) 4,5 7,7 ТЗ, ТКЗ (62, 63) 6,2 9,3
Т (31) 5,6 7,9 К (74) 7,3 10,2
CT
MC
m.
к
H H „ H. H.
n Bl B2 B3
8 9
2 3 4 5 6 7 Твердость, кат. Hardness, cat.
a) a)
Рис. 1. Номограммы для выбора типа вооружения для долот: а) 1-го типа, б) 2-го типа по коду МАБП
Fig. 1. Nomograms to choose types of drilling bit cutting structures: а) 1st type, б) 2nd type by IADC codes
Bl B4
7 9
Твердость, кат. Hardness, cat.
б) b)
11
изводители тем самым снимают с себя ответственность за возможные осложнения при строительстве, которые могут нанести ощутимый финансовый урон подрядной организации и заказчику работ.
Рассмотрим более детально возможности по выработке требований к по-родоразрушающему инструменту, применяемому для расширения пилотной скважины при строительстве переходов трубопроводов.
ВЫБОР ТИПА ВООРУЖЕНИЯ РАСШИРИТЕЛЯ
Поскольку методика выбора типа вооружения для расширителей применяемых типоразмеров отсутствует, считаем необходимым воспользоваться разработанной А.Н. Поповым и
Б.Н. Трушкиным методикой выбора типа вооружения [5-7], суть которой заключается в следующем. Каждый вид типа вооружения для породоразрушающего инструмента имеет свою область рационального использования. Эти области выражаются через твердость горных пород, выраженную в категориях. Характеристики областей приведены в табл. 1. В скобках представлены типы вооружения долот по коду Международной ассоциации буровых подрядчиков (МАБП) (code IADC). Переход к показателю категорий твердости осуществляется исходя из самого показателя твердости породы по штампу или предела текучести породы по формулам:
H = 0,164.p
' ~ ш
(1)
где H - твердость горной породы в категориях (при выборе долота предпочтение отдается твердости по штампу); pш - твердость породы по штампу, МПа; p0 - предел текучести породы, МПа. Для наглядности выбора типа вооружения породоразрушающего инструмента по данным табл. 1 строятся номограммы, представленные на рис. 1. Ключ к использованию номограммы показан на рисунках пунктиром. Порядок работы с номограммой, приведенной на рисунке:
1) на оси абсцисс отложить расчетную величину Н и из полученной точки восстановить перпендикуляр до пересечения с наклонной прямой. Из точки пересечения провести вспомогательную горизонтальную прямую (штрихпунк-тирные линии);
2) на оси абсцисс отложить расчетную величину Hв и из полученной точки восстановить перпендикуляр (штриховая линия) до пересечения с вспомогательной горизонтальной линией. Из точки пересечения провести линии со стрелками до встречи с ближайшими отрезками областей применимости долот;
3) стрелками показаны перспективные типы породоразрушающего инструмента. Например, для неабразивных горных пород при Нв = Нв1 перспективными являются типы долот С и СТ (рис. 1а), при Hв = Нв2 - только тип СТ, при Нв = Нв3 -только тип Т, а при Яв = Яв4 нет типа долота 1-го класса для рассматриваемой горной породы, в этом случае перспективными будут долота 2-го класса (рис. 1б). Для рассматриваемого примера перспективным будет долото ТЗ или ТКЗ, а долото типа Т следует выбрать как запасное. Результатом выбора будут два и более конкурирующих типа вооружения долота. При проведении инженерно-геологических изысканий для строительства переходов трубопроводов методом наклонно-направленного бурения не принято проводить изучение физико-механических свойств грунтов по
таким показателям, как р и р„. Фи' ~ ш ~ 0
зико-механические свойства грунтов определяют по методам [7] на основании теории прочности Мора - Кулона, в соответствии с которой предел текучести материала зависит от среднего
0,479
84
№ 7-8 август 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
13-16 ноября 2018
Москва, ВДНХ, пав. 75
При поддержке:
А МИНГ1Р0МТ0РГ
/_ России
Организатор:
I МЕТАЛЛ
у ЭКСПО
24-я
Международная
промышленная выставка
МЕТАЛЛ
ЭКСПО'2018
□
Металлопродукция и металлоконструкции для строительной отрасли МеталлСтройФорум'2018
Оборудование и технологии для металлургии и металлообработки М ета л л у р г М а ш' 2 018
В
Транспортные и логистические услуги для предприятий ГМК Металл Транс Л огистик'2018
www.metal-expo.ru
Генеральный
информационный партнер:
Оргкомитет выставки: тел./факс +7 (495) 734-99-66
выставочный аудит с 2006 г
X Металлоснабжение и сбыт
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
1 Extremely soft 2 Soft 3 Medium soft 4 Strong
Группы горных пород по прочности на сжатие для долот PDC Groups of rocks by compressive resistance for PDC bits
Рис. 2. Сопоставление физико-механических свойств грунтов и их категорий прочности для выбора типа вооружения породоразрушающего инструмента
Fig. 2. Matching of soil physical properties and their hardness catеgories to choose types of rock cutting tool structures
нормального напряжения. Для грунтов данная зависимость имеет вид:
т = K .p , о = K.p ,
s 1 гш' ср 2 гш'
(5)
т = C + tgcp.tf ,
s ср
(3)
а о
s 2 сР 2 .
(4)
где К1 и К2 - коэффициенты пропорциональности, зависящие от коэффициента Пуассона:
где С - величина удельного сцепления горной породы (грунта), Па; ср - угол внутреннего трения; стср - среднее нормальное напряжение с учетом пластового давления (эффективное напряжение), Па.
Величины С и tgф определяются в ходе лабораторных испытаний физико-механических свойств грунтов с помощью стабилометра. Подобная информация [5, 6] может быть получена и при испытаниях на одноосное сжатие и вдавливание штампа:
K = 0,346 - 0,109.ц, K2 = 0,509 - 0,020.ц.
(6) (7)
При испытаниях на одноосное сжатие и вдавливание штампа принимают р = 0, тогда для определения tgф на основании уравнения 5 получают систему, решение которой относительно tgф дает
Л'Рш- 0'5-°сж
tg«p-
(8)
При вдавливании штампа возникает следующая зависимость:
Обработка этих зависимостей и их сопоставление с показателями категорий представлены на рис. 2. Из результатов обработки следует, что для всех основных типов грунтов, проходимых
при строительстве переходов методом наклонно-направленного бурения, будет достаточно вооружения, необходимого для прохождения пород типа М (мягких). Авторы статьи сопоставили данный вывод с практическими результатами по скорости строительства скважин подводных переходов. Оценка скорости строительства осуществлялась по показателю объемной скорости строительства, т. е. по объему проходимого грунта в процессе бурения. Данный показатель использовался, поскольку при строительстве переходов применялась технология как одноэтапного, так и многоэтапного расширения. Показатель объемной скорости строительства позволил нивелировать различия в технологиях. Обобщенные сведения приведены в табл. 2, из которой очевидно, что даже незначительное увеличение физико-механических свойств грунтов приводит
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
Таблица 2. Результаты строительства переходов, сооруженных методом наклонно-направленного бурения в различных горно-геологических условиях
Table 2. Construction results of crossings made by directional drilling effected by different geological factors
Категория сложности Degree of complexity Инженерно-геологические условия строительства Geological conditions for construction Объемная скорость строительства, м3/ст.-мес Bulk velocity of construction, m3/rig-month
Торф и растительный слой; Peat and top soil;
1 (очень легкая) 1 (very light-textured) пылеватый и мелкий песок; sandy silt and fine sand; Более 600 Over 600
супесь текучая, пластичная loamy sand, fluid, soft
Песок средней крупности, крупный; Medium sand, coarse sand;
2 (легкая) 2 (light-textured) супесь твердая; hard sandy loam; 400-600
суглинки (текучие, текучепластичные и др.) loamy soil (fluid, very soft and others)
Гравелистый песок; Gravel sand;
глина (текучая, текучепластичная и др.); clay (fluid, very soft, and others);
3 (средняя) песчаные и глинистые грунты с примесью гравия, гальки до 25 %; sandy and clay soils impure with gravel, pebbles up to 25 %; 200-400
3 (medium) гравийно-галечниковый грунт с песчаным (более 40 %), глинистым (более 30 %) заполнителем и мощностью по стволу скважины до 100 м; gravel-pebble soil with sandy (over 40%), clay (over 30%) fill and borehole thickness of up to 100 m;
полускальные грунты (1-5 МПа) half-rocks (1-5 MPa)
Песчаные и глинистые грунты с примесью гравия, гальки до 50 %; Sandy and clay soils impure with gravel and pebbles up to 50 %;
гравийно-галечниковые грунты с песчаным (более 40 %), глинистым (более 30 %) заполнителем с мощностью по стволу скважины более 100 м; gravel-pebble soil with sandy (over 40 %), clay (over 30 %) fill and borehole thickness of over 100 m;
4 (сложная) 4 (complex) включения валунов (не более 400 мм) до 5 % от общей массы грунта; inclusion of boulders (max 400 mm) up to 5 % of total soil mass; 100-200
малопрочные скальные грунты (5-15 МПа); low-strength rocks (5-15 MPa);
разновысотность входа и выхода бурового инструмента из скважины более 20 м; uneven-height of entry and exit of drilling tool from the hole - over 20 m;
наличие карстовых полостей не более 2 м occurrence of caverns - max 2 m
Гравийно-галечниковые грунты с песчаным (менее 40 %), глинистым (менее 30 %) заполнителем; Gravel-pebble soil with sandy (below 40%), clay (below 30%) fill;
включения валунов (не более 400 мм) до 20 % от общей массы грунта; Inclusion of boulders (max. 400 mm) up to 20 % of total soil mass;
5 (очень сложная) 5 (highly complex) скальные грунты средней прочности (15-50 МПа); rocks of medium strength (15-50 MPa); Менее 100 Below 100
наличие карстовых полостей более 2 м; occurrence of caverns - over 2 m;
чередование грунтов, различающихся по сложности до 2 кат. alternation of soils different in complexity up to 2 cat.
ТРАНСПОРТ И ХРАНЕНИЕ НЕФТИ И ГАЗА
к двукратному и более снижению показателя объемной скорости строительства. Появление в объеме грунта абразивного высокопрочного гравийного наполнителя способствует уже 3-4-кратному снижению скорости строительства. Подобная зависимость может свидетельствовать о том, что основная проблема в возможности реализации высокой скорости расширения состоит не столько в типе вооружения породоразрушающего инструмента, сколько в его конструкции применительно к диаметру скважины.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВООРУЖЕНИЮ НА РАСШИРИТЕЛЯХ
Был проведен анализ возможности управления конструктивными возможностями расположения вооружения на расширителях.
Одним из показателей, характеризующих эффективность работы породоразрушающего инструмента, является механическая скорость бурения [6]:
V__^ (9)
а^; (9)
где ND - мощность, реализуемая на забое, Вт; - удельная энергоемкость разрушения горной породы, Дж/м2; Fз - площадь забоя скважины, м2. Для повышения эффективности разрушения горной породы конструкция долота должна быть такой, чтобы при реализуемой мощности на инструменте и конкретной площади забоя обеспечивалась наименьшая удельная энергоемкость разрушения горной породы. Таким образом, конструкция породоразрушающего инструмента становится чрезвычайно важным фактором для предъявления требований к расширителям, применяющимся в строительстве переходов трубопроводов. Это обусловлено тем, что расширители могут иметь диаметр до 1800 мм. Значимыми элементами, отвечающими за разрушение горной породы, являются количество элементов вооружения, их расстановка по площади инструмента и частота вращения долота. Это отражается на перекрытии площади забоя разрушающими элементами, их одновременной эффективной работе и времени контакта разрушающего элемента
>>
=с о
12
Ч 10
а. со
Е "Я о
^ о >-
5 с с
I щ о
(О о- —.
I- I о I
<U с 4-1
£ v <и <и
m с <->
О - 3
!{£■ > to
3 ■ П CL)
g -а
га <С а;
I, £
О- ч-
m
-*- 400 мм
-ь- 1000 м -- 1600 м м м
50 100 150 200
Число поражающих элементов The number of destructive elements
250
Рис. 3. Влияние диаметра расширителя на время активного контакта разрушающего элемента с породой
Fig. 3.Hole Opener diameter vs. active period of the destructive tool - rock contact.
с забоем скважины (рис. 3). Поскольку горная порода обладает определенной прочностью, увеличение времени контакта разрушающего элемента с породой приводит к возрастанию динамических нагрузок на породоразрушающий инструмент и его элементы. Динамические нагрузки обусловливают интенсивный износ и разрушение рабочих элементов расширителей и могут привести к усталостному разрушению бурильных труб. Для передачи статических и динамических нагрузок требуется, чтобы долота обладали необходимой прочностью, что обеспечивается выбором соответствующих конструкционных материалов и режима термохимической обработки, а также конструкцией долот. Проходка на долото при заданной механической скорости пропорциональна долговечности долота. Долговечность долот и их элементов зависит от совершенства конструкций, качества изготовления, условий и режима отработки, прочности, в том числе усталостной, ударной вязкости, коррозионной стойкости и износостойкости инструментальных материалов. Износостойкость зависит от твердости изнашиваемых поверхностей. Твердость регулируется составом материала, режимом термохимической обработки.
Работа породоразрушающего инструмента сопровождается разогревом поверхностей износа, поэтому важна теплостойкость материала - его способность сохранять твердость при нагреве. Кроме того, конструкция инструмента и конструкционный материал должны отвечать требованиям интенсивного охлаждения и отвода тепла из областей его регенерации. Важный резерв повышения долговечности шарошечных долот - совершенствование конструкции системы герметизации и смазки опор. Оптимальное количество разрушающих элементов для расширителей зависит от диаметра расширителя и может составлять 20-50. Это положение выводится из времени активного контакта хС разрушающего элемента с горной породой [6]:
х (10)
с т 60 6' (10)
т = еI
(11)
где т - число элементов, поражающих породу на инструменте; I - число поражающих секторов; е - число элементов, поражающих породу в одном секторе; пД - частота вращения породоразрушающего инструмента, с-1; й - диаметр породоразрушающего инструмента, мм; d - размер поражающего сектора, мм.
88
№ 7-8 август 2018 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
Неделя нефтепереработки, газа и нефтехимии в Москве
^ J 17-21 сентября 2018
Отель ИнтерКонтиненталь Тверская, Москва
етсс - Газ и химия - 3-я технологическая конференция и выставка России и стран СНГ
17-18 СЕНТЯБРЯ
ЯРТС - 17-я Конференция и выставка по технологиям нефтехимии России и стран СНГ
18-19 СЕНТЯБРЯ
1ШТС - 18-я Конференция и выставка по технологиям нефтепереработки России и стран СНГ
20-21 СЕНТЯБРЯ
MtSsm > I
vr „-м- • т г •
■ > ■ ^ - i * ...V. д
i. 1 .__1 ......jiff к
ТГг— ш ♦ 9 *
- .... в
КЛЮЧЕВЫЕ ДОКЛАДЧИКИ:
РОСНЕФТЬ
filumiM 7fl
Ч1ПЗШС1 / V- >:
fi ГАЗПРОМ
Стремимся к большему!
TECHNOLOGY
®
с^¿itwcte
AVEVA AxeAs
tfPf Group Technologies
EY
Шлукойл JHE5JL.™A
Jl CBTHLYST i INTELLIGENCES
СП
CnQl>t#*r«4 to Ini4V«tt
E P С
Euro Peiroletim CoriiUltanti
Honeywell
uop
E^onMobil
IHS Markif
л METHANOL ^ INSTITUTE
PFTHO ItCH
НИПИГАЗ УРААХИМ Г титан
Rattsl°bal SC^eidCr ©RUPEC
0.
wood
BHUU НП
•l>
in*
ВУЗ
jy Johnson Matthey ШВncmj.^hgPTga^ 11 11 HALDORTOP5DE T
s/IVI --" CONSULTING
ФОСДГРО engineer;
)Тольяттиазот О CRITERION
ч^йг omrtra anoKxoOEs
ALVIGO*
СПОНСОРЫ:
iALBEMARLE* Axens^ OS™ © «—E^onMobil ФОБОС WOOC).
Зарегистрируйтесь на Неделя-в-Москве,рф
+7 (495) 517 77 09
moscow@europetro.com
Рис. 4. Расширитель шарошечный Hole Opener с увеличенным размером шарошек Fig. 4. Rock-bit Hole Opener with increased roller cone size
Рис. 5. Расширитель шарошечный Hole Opener диаметром 17"
Fig. 5. Rock-bit Hole Opener of 17" diameter
Следовательно, для успешного разрушения породы на забое необходимо увеличивать размер секторов, оснащенных разрушающими элементами, и количество самих разрушающих элементов. В практической деятельности это находит отражение, например, в увеличении размера шарошек на расширителе (рис. 4) или их количества (рис. 5, 6). При увеличении диаметра расширителя требуется увеличить и количество разрушающих элементов. Нарушение этих условий приведет к снижению скорости бурения, повышению вероятности возникновения технологических осложнений в процессе строительства вплоть до создания аварийных ситуаций.
ТРЕБОВАНИЯ К ГЕОМЕТРИИ КОНСТРУКЦИИ РАСШИРИТЕЛЯ И КОМПОНОВКЕ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
При выборе оптимального расширителя необходимо принимать во внимание:
Рис. 6. Расширитель шарошечный Hole Opener диаметром 48" Fig. 6. Rock-bit Hole Opener of 48" diameter
Рис. 7. Геометрические параметры расширителя: Dt - наружный диаметр соединительной муфты расширителя к буровой трубе (переводнику), мм (внутренний диаметр присоединительной муфты характеризуется описанием присоединительной резьбы, например 6 5/8" FH Box (Pin) - стандарт резьбы API); D2 - диаметр центрирующей части расширителя (центратор расширителя), мм; D3 - рабочий диаметр расширителя, мм; D4 - диаметр расширителя по рабочим органам, мм (обычно этот диаметр соответствует рабочему диаметру); М - длина присоединительной муфты в тыльной части расширителя к буровой трубе (переводнику), мм; М2 - длина присоединительной муфты во фронтальной части расширителя к буровой трубе (переводнику), мм; L1 - длина корпуса расширителя по основному диаметру, мм; L - длина тыльной конусной части расширителя, мм; L - длина фронтальной конусной части расширителя, переходный конус от центрирующего диаметра к основному диаметру расширителя, мм; L1 - расстояние до кромки рабочего органа (в данном случае местоположение рабочей кромки (режущего элемента) привязано к началу конусной части переходного конуса), мм; L2 - длина центрирующей части расширителя, мм; L2 -длина фронтальной конусной части, переходного диаметра от муфтовой части к центратору, мм Fig. 7. Geometries of Hole Opener: Dt - outer diameter of Hole Opener coupling box to drilling pipe (mandrel sub), mm (inner diameter of coupling box is characterized by the description of pin, e.g. 6 5/8" FH Box (Pin) - standard of thread API); D2 - diameter of Hole Opener centering location (Hole Opener localizer), мм; D3 - Hole Opener functional diameter, мм; D4 - Hole Opener diameter by operating elements, mm (normally this diameter corresponds to functional diameter); Мг - length of pin at the Hole Opener back to drill pipe (sub), mm; М2 - length of pin at the Hole Opener front to drill pipe (sub), mm; L1 - length of Hole Opener body by base diameter, мм; L - length of back tapered part of Hole Opener, mm; L - length of front tapered part of Hole Opener, adapter sleeve from Hole Opener centering diameter to base diameter, mm; L - distance to operating element edge (here location of cutting tool edge is tied to the top of adapter sleeve tapered part), mm; L2 - length of Hole Opener centering location, mm; L2 - length of frontal tapered part of transitional diameter from sleeve part to centralizer, mm
OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE
Рис. 8. Схема изменения сечения скважины без использования центраторов Fig. 8. Reconfiguration of hole in reaming without centralizers
Рис. 9. Фактический профиль скважины ННБ овальной формы Fig. 9. Actual profile of directionally drilled hole of oval shape
1) геометрические параметры расширителя;
2) физико-механические свойства проходимых грунтов;
3) наличие инженерно-геологических границ и их характеристика;
4) метод расширения (последовательное ступенчатое увеличение диаметра скважины или расширение до необходимого диаметра за одну проходку породаразрушающего инструмента). Геометрические параметры расширителей представлены на рис. 7. Из этого минимально необходимого набора основных параметров можно определить другие необходимые данные, такие как конусность тыльных и фронтальных переходных диаметров и др. Наружный диаметр соединительной муфты D1, совпадает с внешними диаметрами муфтовой части бурильных труб. Этот параметр критичен при выполнении первого этапа расширения после формирования пилотного ствола скважины. Недопустимо использовать расширитель с диаметром присоединительной муфты больше диаметра долота, которым пробурена пилотная скважина. Диаметр центрирующей части расширителя-центратора D2 важен при поэтапном расширении пилотного ствола. Диаметры предыдущего расширения и центратора в идеале должны быть оди-
наковы. Для уменьшения сил сопротивления допускается использование центратора диаметром меньшим, чем диаметр предыдущего расширения. Приведенный на рис. 7 расширитель имеет классический вид для поэтапного расширения пилотной скважины и скомпонован с центратором в жестком сочленении. При этом производители выпускают расширители без центрирующей части. В таком случае в составе компоновки буровой колонны необходимо использовать отдельно установленный центратор. Выполнение расширения без центраторов приводит к нарушению проектного профиля скважины, и сечение расширенной скважины приобретает яйцеобразную форму, как показано на рис. 8, 9. На рис. 8, в частности, представлено последовательное изменение сечения расширенной скважины при 6-этапном расширении с применением расширителей диаметров 600, 800, 1000, 1200, 1400 и 1600 мм. Ось скважины при каждом последующем этапе расширения смещается вниз по профилю на расстояние, определяемое формулой:
Суммарное смещение оси скважины S определяется по формуле:
S = %Udn-ds).
(13)
(12)
где dn - диаметр n-этапа расширения, мм; ds - диаметр буровой трубы, мм.
Смещение оси скважины к концу 6-го этапа расширения без использования центраторов составит 2080 мм. В табл. 3 показано последовательное смещение оси скважины при разных этапах расширения.
Формулу 13 также можно использовать для прогнозирования смещения трубопровода в случае несовпадения диаметров центрирующей части расширителя й2 и рабочего диаметра предыдущего расширителя й3. В этом случае вместо диаметра буровой трубы d¡ необходимо подставить диаметр центратора й2. Длина L1 корпуса расширителя по основному диаметру и длина L2 центрирующей части расширителя важны при проведении расширения в сложных геологических условиях,в особенности при наличии литологических границ при переходах от мягких грунтов к твердым. Поведение расширителя и изменение траектории скважины описаны в [9]. На рис. 10 показано прохождение расширителем литологических границ. Мощность твердых грунтов составляет Н2. Из рисунка видно, что касание породоразрушающего элемента рас-
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 7-8 August 2018
91
Таблица 3. Последовательное смещение оси скважины при расширении без использования центраторов Table 3. Successive displacement of hole axis in reaming using no centralizers
Диаметр расширителя, мм Hole Opener diameter, mm Диаметр бурильной трубы, мм Drilling pipe diameter, mm Смещение оси скважины при этапе расширения Sn, мм Displacement of hole axis in reaming stage Sn, mm Накопленное смещение S, мм Accumulative displacement S, mm
600 168 216 0
800 168 316 216
1000 168 416 532
1200 168 516 948
1400 168 616 1464
1600 168 716 2080
H1
a
, H
- '' H3 m
f
n- --
Рис. 10. Расширение скважины при прохождении литологических границ:
Ht-H3 - мощность проходимых пропластков грунта; a-m - точки касания породоразрушающего
элемента с литологической границей
Fig. 10. Reaming of hole in penetrating lithologie borders:
Ht-H3 - thickness of penetrating soil interlayers; a-m - points of contact of rock cutting tool with lithologie border
ширителя слитологической границей происходит в точке^ Точка касания при каждом последующем этапе расширения смещается. В данном случае точка касания предыдущего этапа расширения к сместилась в точку^ Для вычисления этих точек необходимо знать геометрические параметры расширителя и залегания разбуриваемых пород.
При поступательном движении расширителя в изображенной на рис.10 компоновке произойдет скольжение расширителя по литологической границе от точки f к точке к, что приведет к нарушению траектории ствола скважины. Для предотвращения такого
смещения необходимо использовать дополнительный центратор, который необходимо установить перед расширителем. Длина центратора должна быть подобрана таким образом, чтобы исключить скольжение компоновки по границе. В случае, изображенном на рис. 10, компоновка инструмента требует применения центратора, имеющего диаметр предыдущего этапа расширения. Расстояние установки дополнительного центратора зависит от мощности Н2 проходимого пропластка грунта, угла наклона скважины и угла наклона литологической границы в точке контакта. При обеспечении жесткого соединения дополнительного центратора
и расширителя исключается возможность скольжения расширителя по литологической границе от точки f к точке к и обеспечивается прохождение границы без образования «горба» на входе расширителя в твердые грунты. Удлинение центрирующей части расширителя ¿2 в рассмотренном случае экономически не эффективно. Операторам буровой установки необходимо знать точки встречи расширителя с литологическими границами и геометрические параметры расширителя для предотвращения возможных аварий и управления тягово-толкающими усилиями и крутящим моментом на шпинделе буровой установки. Ключевые точки контактов и расстояния до этих точек должны отражаться в технологической карте каждого из этапов расширения скважины.
Работа разрушающих элементов при их недостаточном количестве будет сопровождаться периодическими ударами при касании отдельных породоразрушающих элементов расширителя разрушаемой поверхности. Конструкцию расширителя, местоположение породоразрушающих элементов и углы установки режущих, дробящих, дробяще-скалывающих элементов необходимо выбирать исходя из особенностей геологического строения разреза на траектории скважины, опираясь на результаты исследований физико-механических свойств грунтов проходимых пород.
ВЫВОДЫ
Форма и размеры расширителей, размещение породоразрушающихэлементов на теле расширителя, выбор типов породоразрушающих элементов, применяе-
marintec
RUSSIA
2-5 ОКТЯБРЯ 2018 Санкт-Петербург
КВЦ«Экспофорум»
ВЫСТАВКА И КОНФЕРЕНЦИЯ
OFFSHORE MARINTEC RUSSIA
www.offshoremarintec-russia.ru
Организатор:
Л ь
• «.Ji
Генеральный д спонсор: 0V
ГАЗПРОМ
Официальный д спонсор: ГАЗПРОМ
Спонсор Молодёжного ЛЬ форума:
Партнер:
мых при строительстве трубопроводов методом наклонно-направленного бурения, имеют большое значение для успешного строительства перехода. Поэтому большое значение приобретает фактор изученности геологического разреза, в том числе с точки зрения структурных особенностей залегания разбуриваемых пород и наличия неод-нородностей на различных интервалах траектории ствола скважины. Отсутствие ключевых параметров для выбора породоразрушающего инструмента, характеризующих вооружение и конструкцию расширителей для разных литологических условий и методик подбора оптимального вооружения расширителей, их конструкции применительно к горно-геологическим условиям строительства переходов в значительной степени осложняет этот процесс. Анализ результатов строительства переходов методом наклон-
но-направленного бурения показывает, что для всех основных типов грунтов, проходимых в разрезе формируемых скважин, достаточно применения расширителей с вооружением, необходимым для прохождения пород типа М (мягкие). Однако результаты оценки объемной скорости строительства, т. е. объема проходимого грунта в процессе бурения, указывают на то, что незначительное увеличение физико-механических свойств грунтов приводит к значительному снижению анализируемого показателя, а появление в объеме грунта абразивного высокопрочного гравийного наполнителя способствует 3-4-кратному падению скорости строительства. Подобная зависимость позволяет утверждать, что возможность реализации высоких скоростей расширения зависит не столько от типа вооружения породоразрушающего инструмента, сколько от конструкции
расширителя применительно к диаметру скважины.
Поэтому в конструкции расширителей для успешного разрушения породы на забое необходимо увеличивать размер секторов, оснащенных разрушающими элементами, и количество самих разрушающих элементов. Нарушение этих условий приводит к снижению скорости бурения, повышению вероятности возникновения технологических осложнений в процессе строительства переходов вплоть до создания аварийных ситуаций.
Выполнение расширения без использования центраторов в компоновке инструмента приводит к нарушению проектного профиля скважины. В этом случае сечение расширенной скважины приобретает яйцеобразную форму, что также может привести к осложнениям при протаскивании трубопровода в построенную скважину.
Литература:
1. Vafin D.R., Shatalov D.A., Sharafutdinov Z.Z. Geomechanical Modelling of Construction Conditions for Trunk Pipeline Underwater Crossings // Pipeline Science and Technology. 2017. Vol. 1. No. 1. P. 65-79.
2. Лисин Ю.В., Сапсай А.Н., Шарафутдинов З.З. Эффективность применения расширителей при строительстве подводных переходов методом наклонно-направленного бурения // Экспозиция Нефть Газ. 2017. № 6 (59). С. 32-37.
3. Шарафутдинов З.З. и др. Строительство переходов магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия. Новосибирск: Наука, 2013. 337 с.
4. Вафин Д.Р., Комаров А.И., Шаталов Д.А., Земляной А.А. Управление устойчивостью несцементированных грунтов при строительстве подводных переходов магистральных трубопроводов методом наклонно-направленного бурения // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2016. № 5 (25). С. 64-71.
5. Попов А.Н., Могучев А.И., Попов М.А. Согласование шкал твердости горных пород в категориях с показателями их механических свойств // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2009. № 2. С. 18-23.
6. Попов А.Н., Спивак А.И., Акбулатов Т.О. и др. Технология бурения нефтяных и газовых скважин. М.: Недра-Бизнесцентр, 2003. 509 с.
7. Попов А.Н., Трушкин Б.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. Учебно-методическое пособие. Уфа: УГНТУ, 2005. 19 с.
8. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Госстройиздат, 1963. 636 с.
9. Капаев Р.А. Формирование ствола скважины на границе инженерно-геологических элементов при строительстве трубопроводов методом ННБ // Экспозиция Нефть Газ. 2018. № 1 (61). С. 56-59.
References:
1. Vafin D.R., Shatalov D.A., Sharafutdinov Z.Z. Geomechanical Modelling of Construction Conditions for Trunk Pipeline Underwater Crossings. Pipeline Science and Technology, 2017, Vol. 1, No. 1, P. 65-79.
2. Lisin Yu.V., Sapsay A.N., Sharafutdinov Z.Z. Efficiency of Reamers in the Course of Underwater Passage Construction by Directional Drilling. Ekspozotsiya Neft' Gaz = Exposition Oil & Gas, 2017, No. 6 (59), P. 32-37. (In Russian)
3. Sharafutdinov Z.Z. et al. Construction of Trunk Lines across Natural and Artificial Barriers. Novosibirsk, Nauka, 2013, 337 p. (In Russian)
4. Vafin D.R., Komarov A.I., Shatalov D.A., Zemlyanoy A.A. Controlling the Stability of Non-Cemented Grounds during Construction of Underwarer Main Pipeline Crossings by Directional Drilling. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov = Science & Technologies: Oil and Oil Products Pipeline Transportation, 2016, No. 5 (25), P. 64-71. (In Russian)
5. Popov A.N., Moguchev A.I., Popov M.A. Adjustment of Hardness Scales for Rocks in Categories to Indices of Their Mechanical Properties. Stroitel'stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more = Construction of Oil and Gas Wells on Land and Sea, 2009, No. 2, P. 18-23. (In Russian)
6. Popov A.N., Spivak A.I., Akbulatov T.O. et.al. Drilling Technology of Oil and Gas Wells. Moscow, Nedra-Business Centre, 2003, 509 p. (In Russian)
7. Popov A.N., Trushkin B.N. Destruction of Rock in Drilling of Wells. Training text-book. Ufa, Ufa State Petroleum Technological University, 2005, 19 p. (In Russian)
8. Tsytovich N.A. Soil Mechanics. Moscow, Gosstroyinzdat, 1963, 636 p. (In Russian)
9. Kapaev R.A. Formation of the Wellbore at the Boundary of Engineering-Geological Elements in the Implementation of the HDD Method in the Construction of an Underwater Crossing. Ekspozotsiya Neft' Gaz = Exposition Oil & Gas, 2018, No. 1 (61), P. 56-59. (In Russian)
