CC BY
73
УДК 622.243
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ © Г.Р. Романов1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
С целью повышения эффективности предлагается наложение на буровой инструмент искусственных высокочастотных низкоамплитудных колебаний для снижения затрат мощности на холостое вращение колонны бурильных труб, а также применение внецентренного удара породоразрушающим инструментом по забою, что является перспективным направлением совершенствования разведочного и эксплуатационного бурения. Ил. 7. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: энергозатраты; искусственные колебания; оптимизация; бурение скважины; повышение эффективности; коэффициент трения.
DEVELOPMENT PROSPECTS OF ENERGY SAVING DRILLING TECHNOLOGIES G.R. Romanov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
In an attempt to improve efficiency, it is proposed to apply artificial high-frequency low-amplitude vibrations on drilling pipes to reduce power losses for idle rotation of a drill string. It is also recommended to use an eccentric impact on the bottom by a drilling tool. This is a promising direction of exploratory and production drilling improvement. 7 figures. 4 sources.
Key words: energy consumption; artificial vibrations; optimization; borehole drilling; efficiency increase; friction coefficient.
Современные темпы развития промышленности в сфере разведки и эксплуатации природных ресурсов являются причиной постоянного совершенствования технологического и технического состояния процесса и поиска наиболее эффективных способов бурения. Несмотря на достаточно высокий уровень развития технологий, буровые работы остаются весьма дорогим ресурсо- и энергоемким процессом при реализации геологоразведочных и эксплуатационных проектов.
Для того чтобы оценить возможность снижения экономических затрат на производство буровых работ, существует ряд методик по оценке эффективности данного процесса. Зачастую такие методики базируются на планировании полного факторного эксперимента, в основе которого лежат критерии оптимизации буровых работ [1]. Критерии оптимизации позволяют оценить, насколько эффективно затрачиваются энергия и ресурс инструмента с точки зрения экономических затрат на буровой процесс (стоимость одного метра бурения). При этом методика позволяет выявить, при каких параметрах режима бурения будет достигаться наибольшая эффективность - максимальная производительность при минимальных затратах [4]. Это позволит не только оценивать существующие способы и инструменты, но и совершенствовать их, а также поможет в разработке новых методов и средств повышения эффективности буровых работ.
При увеличении длины скважины и неизменных параметрах режима бурения, типе очистного агента, буримой горной породе среднее значение энергоемкости разрушения породы на забое изменяется в не-
большом интервале, в то время как затраты мощности на холостое вращение колонны бурильных труб непрерывно возрастают. Причиной этого может быть увеличение площади контакта бурильных труб со стенкой скважины или обсадными трубами, так как влияние коэффициента трения в паре сталь-горная порода на энергозатраты при холостом вращении повышается. Также растет и вес колонны.
Бурильная колонна может соприкасаться со стенкой скважины по следующим причинам: зауженный или локально искривленный ствол скважины; наклонно-направленное бурение; отсутствие промывочной жидкости в затрубном пространстве (полное поглощение); колебания с высокой амплитудой в результате несоосного соединения бурильных труб или их кривизны; превышение оптимальной осевой нагрузки на забой и др.
Снизить энергозатраты на процесс бурения скважин представляется возможным посредством регулирования коэффициента трения в паре сталь - горная порода или снижением его влияния на затрачиваемую мощность при холостом вращении снаряда (уменьшение площади контакта труб со стенкой скважины).
Наиболее часто применяемый метод регулирования энергозатрат и увеличения ресурса инструмента -добавление в буровой раствор и/или нанесение на колонну бурильных труб смазывающих веществ. В этом случае снижается коэффициент трения, однако площадь контакта между стенкой скважины и бурильной колонны при определенных условиях будет увеличивать энергозатраты весьма значительно. Для уменьшения площади контакта, а также нежелательного искривления оси ствола скважины можно приме-
1Романов Григорий Радионович, аспирант, тел.: 89501466493, e-mail: GRom123456@mail.ru Romanov Grigory, Postgraduate, tel.: 89501466493, e-mail: GRom123456@mail.ru
нять центраторы и стабилизаторы. Однако в последнее время все больше буровых компаний производит бурение разведочных скважин гладкоствольной колонной с безниппельным соединением, что связано с применением снаряда со съемным керноприемником (ССК). Поэтому применение центраторов не принесет желаемого эффекта, так как радиальный зазор между колонной бурильных труб и стенкой скважины весьма небольшой.
Для снижения энергозатрат, в дополнение к существующим методам, по мнению автора, будет целесообразно применять источники искусственных колебаний высокой частоты и малой амплитуды, а также бурение с эксцентриситетом разрушения горной породы на забое. Высокочастотные искусственные колебания в колонне бурильных труб предположительно снизят энергопотребление на ее вращение посредством снижения влияния коэффициента трения в паре сталь-горная порода.
Важно различать такие понятия, как естественное и искусственное колебания. Естественное колебание -это процесс возникновения хаотичных и зачастую низкочастотных и высокоамплитудных продольных и поперечных волн в колонне бурильных труб под воздействием различных факторов. Такие колебания будут оказывать отрицательное воздействие на процесс бурения в целом и на энергозатраты в частности, способствовать нарушению целостности стенок скважины, износу инструмента и создавать помехи движению очистного агента. Возникают естественные колебания в результате работы породоразрушающего инструмента по ухабистому забою, появления обратной прецессии вращения колонны (качение по стенке скважины) бурильных труб из-за высокого коэффициента трения в паре сталь - горная порода, а также большого эксцентриситета вращения колонны (несоосное соединение или искривление бурильных труб) [1]. Поэтому, по мнению автора, возникновение естественных колебаний колонны бурильных труб следует предупреждать и ликвидировать известными методами (применение антивибрационных смазок; добавление в буровой раствор реагентов, повышающих вязкость; применение эмульсий со смазывающими свойствами; центраторы, стабилизаторы и др.).
Искусственные колебания бурового инструмента могут быть созданы при помощи различных технических средств ударного и вибрационного принципа действия с целью повышения эффективности буровых работ. Наиболее эффективными будут колебания с малой амплитудой и высокой частотой, а также с максимально возможной энергией единичного колебания, так как именно такие параметры колебательного процесса будут способствовать повышению эффективности буровых работ за счет снижения коэффициента трения между стенкой скважины и колонной бурильных труб. Последнее может положительно повлиять на механику бурильной колонны: снизится риск возникновения обратной прецессии, уменьшатся сопротивления вращению и продольному перемещению снаряда.
Для повышения эффективности бурового процесса предлагается создавать искусственные колебания в колонне бурильных труб при помощи вибрационных машин (гидроударников). Предполагается, что колебания колонны бурильных труб будут способствовать снижению энергозатрат на буровой процесс посредством снижения коэффициента трения в паре сталь-горная порода. Оценить эффективность применения данного метода регулирования энергозатрат представляется возможным при помощи планирования полного факторного эксперимента. Для этого следует распределить некоторое количество гидроударников вдоль колонны бурильных труб, а в ее нижней части закрепить шарнир или породоразрушающий инструмент (рис. 1).
Рис. 1. Схема распределения гидроударников в скважине: 1 - гидроударники;
2 - породоразрушающий инструмент или шарнир;
Ь - расстояние между гидроударниками
Измеряя затрачиваемую мощность на холостое вращение бурильной колонны в различных средах и при разных параметрах режима бурения, можно получить зависимости, которые позволят судить об эффективности предлагаемого метода.
На забое гидроударные машины применяются как вспомогательные устройства, позволяющие повысить интенсивность разрушения горной породы и скорость проходки скважины при помощи наложения искусственных колебаний. Колебания являются следствием ударов бойка о наковальню внутри корпуса гидроударника. Изменение формы торца бойка (рис. 2) приведет к смещению центра приложения ударной нагрузки, что повлечет за собой перераспределение нагрузки на забой. Вероятнее всего, это послужит причиной возникновения перекоса породоразрушаю-щего инструмента и неравномерного внедрения рез-
Рис. 2. Схема видоизменения формы торца бойка гидроударника: а - без изменений; б - минимальный эксцентриситет; в - средний эксцентриситет; г - максимальный эксцентриситет; х1,2,3 - ширина стачивания торца; у - высота стачивания торца; — линия смещенного центра приложения ударной нагрузки
цов в породу [2]. В результате в единицу времени на забое в крайних точках соприкосновения с горной породой возникнут условно две зоны, различные по состоянию породы: зона сжатия и зона разряжения. В зоне сжатия площадь соприкосновения породоразру-шающего инструмента с забоем меньше его общей площади, поэтому под действием осевой нагрузки резцы внедряются на большую глубину, чем при центральном ударе. Чередование этих зон, возможно, приведет к более эффективной работе инструмента, повышению механической скорости и снижению естественного искривления скважин.
В данном случае методика планирования полного факторного эксперимента заключается в измерении показателя энергоемкости (отношение затрачиваемой мощности к механической скорости) при использовании различных значений параметров режима бурения, в том числе и значений эксцентриситета ударной нагрузки. Проведение подобных экспериментов может послужить отправной точкой для дальнейшего исследования влияния внецентренного удара на процесс разрушения горных пород.
Если эффективность внецентренного удара по забою будет подтверждена экспериментально, появится необходимость в разработке технического устройства, способного создавать колебания с требуемыми параметрами при более простой конструкции, чем у гидроударника, но при этом не менее эффективного. Пример такого устройства изображен на рис. 3. Принцип его работы заключается в следующем: поток очистного агента, протекая через гидромонитор 1, приобретает высокую скорость и давление, что позволяет создавать высокую частоту и энергию единичного удара. Раствор толкает вниз подвижную пробку 2, вследствие чего она ударяет скосом 3 по неподвижной пробке 4, перекрывая в ней отверстие для прохода жидкости. После этого жидкость проходит через отверстие в подвижной пробке 3 и под действием перепада давления проникает под нее и отталкивает вверх, возвращая в исходное положение.
Работа гидроударника, как правило, осуществляется на форсированных режимах подачи промывочной жидкости на забой, так как энергия удара бойка о
Рис. 3. Схема источника продольных колебаний со смещенным центром приложения удара
наковальню в корпусе механизма передается от очистного агента и при низкой подаче раствора снаряд находится в бездействии. Интенсивная подача бурового раствора может отрицательно сказываться на эффективности бурения, так как существует риск возникновения таких явлений, как гидроподпор, размыв керна, износ внутреннего диаметра коронки и др. [2]. Вследствие этого, применение гидроударников будет целесообразно лишь в том случае, если геологические условия позволяют применение форсированных режимов промывочной системы.
Рис. 4. Схема источника поперечных колебаний типа «ветряная мельница»: 1 - стенка бурильной трубы;
2 - лопасти; 3 - подшипники (между колонной и кольцом с лопастями); 4 - грузило
Для того чтобы получить возможность создавать искусственные колебания в колонне бурильных труб при менее интенсивном потоке промывочной жидкости, требуется разработка технических средств, способных обеспечить непрерывные колебания при умеренных скоростях течения очистного агента. Примерами могут послужить устройства, изображенные на рис. 4, 5 и 6. Механизм их работы основан на использовании центробежной силы при вращении тел со смещенным центром тяжести.
Устройство типа «ветряная мельница» по принципу действия напоминает забойный двигатель, результатом работы которого будет не вращение породораз-рушающего инструмента, а создание поперечных колебаний колонны бурильных труб (рис. 4). Принцип работы «ветряной мельницы» примерно можно описать следующим образом: поток жидкости воздействует на лопасти 1, которые преобразуют полученную энергию во вращательную. Подшипниковое кольцо 2, подвижно соединяющее бурильные трубы с лопастями 1, принимает от этих лопастей энергию и вращается вокруг своей оси. Грузило 3, жестко закрепленное на подшипниковом кольце, вращается вместе с ним, создавая эксцентриситет и тем самым вибрацию всего устройства и близлежащих бурильных труб.
Устройство типа «водяная мельница» (рис. 5) также использует энергию потока очистного агента. Работа данного устройства производится по следующей схеме: поток промывочной жидкости встречается с перегородкой 1 и проходит через специальное отверстие. Таким образом, поток направляется по касательной относительно окружности, описываемой вращением лопастей 2, соединенных осью 3. Грузило 4, закрепленное на одной из лопастей, при вращении будет создавать вибрацию в продольной и поперечной плоскости за счет центробежной силы.
На рис. 6 представлена схема источника поперечных колебаний типа «груша». Весьма простая конструкция и малая металлоемкость данного устройства
Рис. 5. Схема источника поперечных и продольных колебаний типа «водяная мельница»: 1 - перегородка с отверстием для прохода очистного агента; 2 - лопасти; 3 - ось, соединяющая лопасти и бурильную колонну; 4 - грузило
Рис. 6. Схема источника поперечных колебаний типа «груша»
позволяют говорить об экономической выгоде при его использовании по сравнению с гидро- и пневмоудар-ным бурением. Принцип работы устройства заключается в следующем: поток жидкости встречается с металлической болванкой и, попадая в лунку, сжимает пружину. По достижении определенного критического давления на пружину поток жидкости направляется по касательной к телу болванки и обтекает ее, снижая давление в лунке. Одновременно с этим происходит распрямление пружины и отклонение болванки в сто-
рону стенки трубы под действием бокового давления со стороны потока промывочной жидкости. Происходит удар о стенку трубы, после чего цикл повторяется. Конструкция данного устройства весьма проста, однако необходим некоторый запас прочности, так как колебания в колонне, в отличие от предыдущих устройств, создаются от ударов болванки о внутреннюю поверхность бурильных труб, что может привести к попаданию металла на забой.
Рис. 7. Схема источника механических колебаний для ликвидации прихвата инструмента: 1 - свободная от прихвата часть колонны; 2 - пружина; 3 - вибрационные трещотки; 4 - прихваченная часть колонны
Искусственные колебания можно применять не только для предотвращения, но и для ликвидации прихватов бурового инструмента. Для борьбы с прихватами существует множество методик и технических средств, однако их ликвидация до сих пор занимает большое количество рабочего времени и энергии. Чтобы сократить эти затраты, может быть разработано техническое устройство, позволяющее ликвидировать прихват бурильной колонны при помощи искус-
ственных колебаний без остановки вращения верхней неприхваченной части бурильной колонны (рис. 7).
Принцип работы такого устройства заключается в следующем: при возникновении прихвата колонны бурильных труб верхняя неприхваченная часть 1 может продолжать свое вращение, преодолевая сопротивление пружины 2, которая прижимает трещотки 3 друг к другу с определенным заданным усилием. Происходит проворачивание свободной от прихвата части колонны относительно прихваченной 4, а трещотки 3 в этот момент создают колебания, способствующие возобновлению нормального режима работы инструмента.
Предположительно применение подобного устройства позволит с большой вероятностью ликвидировать прихваты инструмента в скважине без остановки вращателя буровой установки, что может значительно сократить затраты времени и энергии на ликвидацию прихвата. В противном случае можно приступить к ликвидации традиционными способами.
Применение искусственных колебаний в бурении для регулирования и оптимизации энергозатрат является перспективным направлением в развитии буровых технологий и может являться фундаментом для научно-технических и технологических исследований скважинных процессов. Повышение эффективности буровых работ может происходить за счет снижения сопротивлений работе инструмента в стволе скважины и на забое - снижения коэффициента трения между колонной бурильных труб и стенкой скважины; уменьшения риска возникновения осложнений, связанных с прихватом бурового снаряда, а также облегчения ликвидации последнего. Таким образом, разработка новых технических и технологических методов и средств оптимизации энергозатрат, использующих искусственные колебания, может сыграть значительную роль в повышении эффективности разведочного и эксплуатационного бурения.
Статья поступила 12.11.2014 г.
Библиографический список
1. Нескоромных В.В., Пушмин П.С. Оптимизация в геологоразведочном производстве: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 162 с.
2. Нескоромных В.В., Пушмин П.С., Наделяев А.А. Повышение эффективности алмазного бурения забойными машинами ударного действия в условиях естественного искривления стволов скважин // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: сб. науч. тр. / Уральская гос. горно-геологич. академия. Екатеринбург, 2009. Вып. 31. С. 119-122.
3. Пушмин П.С., Романов Г.Р. Анализ влияния плотности бурового раствора на затраты мощности при холостом вращении // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. № 1. С. 260-262.
4. Пушмин П.С., Романов Г.Р. Оценка рационального сочетания режимных параметров алмазного бурения // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири. Иркутск, 2013. № 1. С. 102-110.
