CC BY
65
------------------------------------ © Н.А. Артемьев, Ю.Н Артемьева,
2006
УДК 622.24.054-82(24)/(061.6)
Н.А. Артемьев, Ю.Н. Артемьева
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АГРЕГАТОВ РЕАКТИВНО-ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ
Семинар № 20
а длительный период эксплуатации агрегатов реактивнотурбинного бурения (РТБ) подтвердились значительные преимущества этого способа по сравнению с зарубежными и отечественными способами бурения скважин большого диаметра, но, не смотря на многолетнее применение этого способа, его основные оборудования и инструменты не проходили модернизации и остаются такими же, как в начальный период его использования.
Основными направлениями усовершенствования агрегатов реактивнотурбинного бурения, на наш взгляд, является применение новых типов турбобуров в конструкции агрегата и разработка специального породоразрушающего инструмента, которая связана со сложным перемещением бурового долота на забое скважины из-за его участия в как относительном движении вокруг своей оси, так и в переносном - вокруг оси вращения агрегата, что, в свою очередь, приводит к увеличению динамических нагрузок, действующих на вооружение инструмента, а также увеличению его проскальзыванию по забою скважины.
В настоящее время основным типом турбобура для агрегатов РТБ является Т12РТ-240, который существенно уступает по вращающему моменту и мощности даже применяемому на раннем этапе
развития реактивно-турбинного бурения турбобуру Т14М1-9%” Повышение эффективности данного способа бурения на прямую связано с этими характеристиками, т.к. мощность турбобура расходуется не только на разбуривание забоя, но и на вращение самого агрегата, т.е. на создание переносного движения долот. Поэтому сконструиро-ванный более 30 лет назад турбобур Т12РТ-240 устарел и должен быть существенно усовершенствован путем улучшения энергетической характеристики в направлении повышения момента и энергетической эффективности.
Опыт разработчиков турбобуров для бурения нефтяных и газовых скважин показал, что замена в серийном турбобуре 3ТСШ1-195 турбины 26/16,5 на новую А7П позволяет получить на номинальном режиме на частоте вращения 340-360 мин -1 момент 2100 Н-м вместо 1700 Н-м при частоте вращения 420-440 мин -1 у серийной турбины [1]. Сравнительные характеристики М-п и ЛР-п для серийной и новой турбины показаны на рис. 1. Указанные характеристики приведены при одинаковом расходе 0 = 32 л/с. Причем в настоящее время существует тенденция в бурении нефтяных и газовых скважин к снижению расхода бурового раствора через турбобур, которое, во-первых, повысит уровень допустимого давления на насосе и, во-
вторых, улучшить использование создаваемой им гидравлической мощности. Так, с переходом на Q = 28 или 24 л/с допустимое давление Рдоп повышается с 14,1 до 16,0 МПа, а пропорционально повышению Рдоп можно повысить момент силы на турбобуре. Что касается эффективности использования гидравлической мощности, то ее кардинальное улучшение может быть достигнуто именно на основе снижения расхода жидкости, циркулирующей в скважине.
Достаточный для работы агрегата РТБ большого диаметра расход рабочей жидкости не может обеспечить скорости восходящего потока в затрубном пространстве ствола большого диаметра для выноса крупных кусков разбуренной породы.
Если в обычном турбинном бурении поток рабочей жидкости совмещает функции энергоносителя и транспортировщика породы, то при реактивнотурбинном бурении стволов большого диаметра эти функции несовместимы.
Для очистки забоя от выбуренной породы и выноса ее на поверхность при бурении скважины большого диаметра существуют специальные приемы и средства: центральный или периодический эрлифт, эрлифт через дополнительную скважину, аэризация потока, шламоуловители.
Основным назначением потока рабочей жидкости при РТБ является подвод к агрегату мощности, достаточной для его устойчивой работы.
Дополнительными функциями являются эффективная очистка и охлаждение рабочих частей долот.
Значительной статьей расхода в затратах на бурение стволов способом РТБ является оплата за установленную мощность буровой установки, зависящую при ограниченных размерах труб, в основном от производительности насо-
сов. Поэтому применяемые в агрегатах турбины должны обеспечивать эффективную работу забойного агрегата при ограниченных расходах потока рабочей жидкости.
Уменьшение расхода промывочной жидкости также позволит отказаться от применения бурильных труб большого диаметра, что обеспечит использование серийного оборудования для их свинчивания и, как следствие, даст возможность снизить сроки строительства скважин.
За последнее время специалистами НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ за счет использования специальных методов проектирования лопаточного аппарата разработаны и внедрены новые турбины, экспериментальная отработка которых показала повышение их мо-ментных составляющих мощности при снижении частотных. Имеющийся при этом рост давления вполне укладывается в соответствующие величины допустимого давления на насосе (табл. 1) [1].
Кроме того, разработаны новые односекционные бесшпиндельные высо-комоментные турбобуры диаметром 280 и 320 мм для эффективной работы с шарошечными долотами и режущего типа гидромониторными долотами диаметром от 375 до 1000 мм (табл. 2) [2], которые позволят повысить эффективность работы агрегатов РТБ и в полной мере использовать все преимущества данного способа бурения скважин большого диаметра.
На основании изложенного можно утверждать, что турбобур, являющийся основным элементом агрегата реактивно-турбинного бурения и на протяжении многих десятилетий наиболее эффективным забойным приводом в массовом бурении, обладает значительным потенциалом для дальнейшего повышения результативности бурения.
Тип турбины Расход жидкости, л/с Момент силы, Нм Частота вращения, мин-1 Перепад давления, МПа
26/16,5-195 32 1600... 1800 420.460 4,3.4,9
А7П5-Т2 28 1850...2000 380.410 5,3.5,9
А7П3-БК 24 2350.2700 270.300 ,2 7 ,2 6
Таблица 2
Параметры турбобура ТБД-320 ТБД-280
Наружный диаметр,мм 320 280
Длина, мм 10000 10000
Масса, кг 5000 4500
Расход жидкости плотностью 1000кг/м3, л/с 55 48
Частота вращения, об/мин 300 300
Момент силы, Н-м 3000 2700
Перепад давления, МПа 3,0 3,5
Вторым направлением повышения эффективности является создание специального породоразрушающего инструмента, учитывающего особенности кинематики работы долота забойного агрегата.
Авторы работы [3] считают, что специальные долота для РТБ должны обладать малой моментоемкостью и быть способны при ограниченных осевых нагрузках создавать высокие давления на контакте зубцов шарошек с породой забоя. Такие долота дадут возможность обеспечить эффективный процесс разрушения породы и при высоких часто-
4, Н-М лР.МП Э
4000 . 3000— и.й
V - *
2000 _ —ч- >д Р
1000 О Г) N X- -
'•X. \ V N
0 УО 41 Ю 5 30 8 30 1С 00
тах вращения реализовать большие мощности, необходимые для получения высоких механических скоростей бурения. По их мнению, при реактивнотурбинном бурении необходимо отказаться от применения многошарошечных долот, так как процесс разрушения характеризуется низкими контактными давлениями при взаимодействии зубцов шарошек с породой и малым временем контакта.
При роторном бурении для повышения контактных давлений увеличивают осевую нагрузку на долото. При РТБ данный процесс лимитируется вращающим моментом, развиваемым турбобуром, поэтому при ограниченных моментах вращения, развиваемых турбобурами, единственный возможностью повышения давления на контакте зубцов шарошек с забоем для обеспечения эффективного процесса разрушения породы
Рис. 1. Сравнительные М-п и аЛР - п характеристики серийной и новой турбин турбобура (число ступеней 330, жидкость-вода):
турбина 26/16,5 ------- турбина А7П
является переход от многошарошечных долот к двухшарошечным.
С другой стороны, из опыта применения РТБ при строительстве скважин большого диаметра известно [4], что при работе агрегата с породой контактируют только периферийные венцы зубьев долот, что позволяет с ограниченной общей осевой нагрузкой создавать контактные напряжения, достигаемые даже при самых форсированных режимах турбинного бурения обычных скважин. Для уменьшения сопротивления породы перемещению зубьев шарошки они должны иметь специальный профиль (рис. 2) со скосами, облегчающими движение зуба по выбоинам забоя при переносном движении долота.
Осевой люфт в опорах шарошек, соизмеримый с длиной перемещения зуба шарошки за время контакта с забоем, также способствует снижению сопротивления, которое необходимо преодолеть для переносного движения долот. В этом случае скольжение зуба по породе заменится скольжением опоры относительно шарошки, т. е. скольжением стали по стали.
Этим объясняется наблюдаемый на практике факт, когда отработанные в породах средней крепости долота с еще сохранившемся вооружением, но с раз-
Рис. 2. Конструкция шарошки долота и схема формирования забоя
работанной опорой, при бурении агрегатом РТБ в крепких абразивных породах позволяют вести бурение при значительно больших осевых нагрузках и дают дополнительную проходку, чем новые долота [4].
На основе основных закономерностей процесса бурения агрегатами РТБ [4] до последнего времени требования к конструкции породоразрушающего инструмента не претерпели каких либо изменений и в процессе строительства скважин большого диаметра в зависимости от типа разрушаемых горных пород использовались трехшарошечные или шестишарошечные долота. Повышенные требования, связанные со спецификой данного способа, которое характеризуется низкой стойкостью бурильного инструмента из-за сильного зашламления забоя, вследствие большого диаметра скважин, а также участием инструмента в сложном движении, определили дальнейшие работы по его усовершенствованию.
Сотрудники РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина [5], проанализировав более подробно условия взаимодействия вооружения породоразрушающего бурильного инструмента с забоем скважины при сложном движении, определили точки в траектории движения шарошки долота, в которых имеет место наибольшее проскальзывание, что позволило рассмотреть геометрию вооружения с точки зрения соответствия ее условиям бурения способом РТБ.
Вследствие наличия проскальзывания вооружение долота, связанного с
вращением агрегата, тыльный конус шарошек при реактивно-турбинном бурении участвует не только в калибровании диаметра скважины, но и в значительно большей степени в процессе разрушения породы забоя. Этот процесс разрушения породы на забое тыльным конусом шарошки при РТБ можно уподобить процессу строгания.
В связи с тем, что геометрия вооружения серийного инструмента не образует плоского забоя (рис. 2) и при проскальзывании шарошки в направлении вращения агрегата происходит отжатие
Рис. 3. Новая конструкция шарошки долота для РТБ
ее от забоя, что приводит к дополнительному перекосу и возникновению вертикальных колебаний инструмента в процессе работы. В результате этого тыльный конус шарошек в начальный период работы долота не участвует в разрушении породы в зоне проскаль-зывания, что значительно снижает эффективность бурения.
Помимо этого, анализ вооружения серийного породоразрушающего инструмента после отработки его в агрегатах РТБ позволил сделать еще один важный вывод [5]. При работе данного инструмента, где бурение осуществляется с образованием плоского забоя, в начальный период происходит интенсивное изнашивание выступающего по отношению к горизонтальной плоскости части вооружения, расположенного ближе к вершине шарошки, а в последующий период работы происходит значительное снижение механической скорости вследствие снижения удельного давления, передаваемого режущими элементами вооружения на забой. Это объясняется тем, что площадка притупления зубчатых элементов становится неравномерной по ширине, т. е. в той части вооружения, которая расположена ближе к вершине шарошки, она имеет большую ширину, чем в части, расположенной ближе к тыльному конусу шарошки.
На основе данного анализа и многочисленных данных отработки долот различных типоразмеров авторы разработали геометрию вооружения породоразрушающего инструмента, максимально учитывающую особенности условий бурения агрегатами РТБ. Результатом этой работы явилось создание шарошки бурового долота для бурения в мягких породах способом РТБ с принципиально новой геометрией вооружения (рис. 3) [5].
Особенностями нового типа шарошки породоразрушающего инструмента стало образование геометрией вооружения плоского забоя, что позволит вооружению в процессе износа сохранять равномерную по ширине площадку притупления зубчатых элементов, и создание круговой проточки на тыльном конусе шарошки, повышающей режущий
1. Будянский В.С. Направление совершенствования техники турбинного бурения // Строительство нефтяных и газовых скважин. НТЖ. - 2003 - № 5. - с. 23-25.
2. Будянский В.С., Чайковский Г.П. Новые турбинные и турбинно-винтовые забойные двигатели // Бурение. Специальное приложение «Нефть и капитал». - 2001. - № 2. - С. 70-77.
3. Иоаннесян Р.А., Рыбалка А.А. Повышение эффективности реактивно-турбин-
эффект тыльным конусом в процессе проскальзывания шарошки относительно забоя скважины при переносном движении долота вокруг оси агрегата.
Решение задач по усовершенствованию или использованию новых образцов турбобуров и специального породоразрушающего бурильного инструмента для различных типов горных пород позволит повысить эффективность и показатели реактивно-турбинного бурения при условии разработки технологии бурения с учетом возможностей новых конструкций агрегатов. А вышеизложенный материал показывает, что способ РТБ обладает значительным потенциалом для повышения эффективности и рационального его использования при строительстве скважин большого диаметра.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ного бурения стволов большого диаметра // Нефтяное хозяйство. - 1990. - № 10. - С. 2934.
4. Булах Г.И. Основные закономерности процесса бурения агрегатами РТБ // Реактивно-турбинное бурение. Труды ВНИИБТ, вып. XVIII. - М.: Недра - 1967. - С. 21-34.
5. Ясашин В.А., Сериков Д.Ю. Буровое долото для РТБ // Бурение. - 2000. - № 4. - С. 15-21.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Артемьев Николай Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технология нефтегазового производства»,
Артемьева Юлия Николаевна - аспирантка,
Московский государственный открытый университет.
