Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОМПОНОВКИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

Актуальность. В настоящий момент большинство геологоразведочных скважин в России и мире бурится с применением комплексов ССК алмазным породоразрушающим инструментом.
Известно, что при бурении геологоразведочных скважин вращательным способом, колонна бурильных труб служит проводником для передачи энергии на забой. Количество энергии, дошедшей до забоя в виде величины осевой нагрузки и крутящего момента, зависит от множества факторов, важнейшими из которых являются сила трения скольжения между колонной и стенками скважины, а также усилие прижатия деформированной компоновки к стенкам скважины [63]. При высоких значениях коэффициента трения между колонной и стенкой скважины колонна, деформируясь, ведет себя не стабильно: возможно возбуждение поперечных и крутильных колебаний, не эффективных видов движения таких, как обратная прецессия. Все это оказывает значительное влияние на механическую скорость бурения, искривление скважины, проходку за рейс, выход керна, затраты мощности на вращение колонны, вибрацию, износ снаряда [26, 59].
Согласно экспериментальным данным, полученным в МГРИ [23] при выполнении исследований на горизонтальном стенде, наиболее устойчивым видом движения статически сбалансированных колонн при высокой частоте вращения является обратная прецессия, вид движения колонны , с которым связаны все негативные влияния на показатели бурения.
Поэтому актуальность приобретают разработки, направленные на повышение эффективности буровых работ, связанные с работой колонны, и состоящие в том, чтобы подобрать значения параметров системы «колонна - скважина», которые бы снижали вероятность возникновения обратной прецессии и ориентированного изгиба колонны, приводящего к перекосу торца породоразрушающего инструмента на забое.
Рост эффективности работы колонны с устранением отмеченных параметров связан с реализацией вращения компоновки по типу Ф1*.
Реализация типа вращения Ф1 может достигаться следующими основными методами:
• Применением высокосбалансированных бурильных колонн с высокой степенью точности выполнения соосности резьбового соединения при определенных условиях эксплуатации (ограниченных осевых нагрузках и частотах вращения колонн, малых значениях радиального зазора и коэффициента трения скольжения между колонной и стенкой скважины и др.);
• Применением специальных компоновок, реализующих при бурении режим вращения Ф1 как колонны, так и породоразрушающего инструмента с эксцентриситетом торца матрицы, который под действием дисбаланса сил резания предотвращает вращение коронки в режиме ориентированного перекоса [60].
Таким образом, одним из направлений повышения эффективности работы колонны является разработка технических средств, используемых в составе буровой компоновки для реализации ее вращения по типу Ф1 в забойной зоне и наиболее нагруженной части буровой компоновки.
Первый из упомянутых методов на сегодняшний день достаточно изучен, реализован и широко распространен. В это же время, технические средства, способные обеспечивать стабильный вид вращения колонны, повышение эффективности геологоразведочного бурения в сложных горногеологических условиях при высокочастотном алмазном бурении в системах типа ССК отсутствуют, что является актуальной проблемой.
Целью диссертационной работы является систематизация, расширение и углубление знаний в области повышения эффективности
* Согласно классификации видов движения колонн приведенной в работе В.Н. Алексеева «Исследования устойчивости движения бурильной колонны на стенде». - Методика и техника разведки. Л. : ОНТИ ВИТР, 1979, №131, с. 43-46,: Ф1 - вращение колонны вокруг своей оси и вокруг оси скважины; Ф2 - вращение колонны вокруг собственной оси; Ф3 - вращение колонны вокруг собственной оси с качениям по ее стенкам работы бурильных колонн путем применения компоновок со смещенным центром тяжести поперечного сечения (КСМ) и коронок с эксцентриситетом торца матрицы (КИТ).
Идея работы заключается в применении специальных труб со смещенным центром тяжести поперечного сечения и установкой их в сжатой части бурильной колонны с оптимальным шагом для обеспечения движения колонны вокруг оси скважины, а так же алмазных коронок с эксцентриситетом торца матрицы для исключения режима вращения с ориентированным перекосом ее торца.
Объект исследования: технические средства, обеспечивающие движение колонны вокруг оси скважины и предотвращающие ориентированный перекос торца буровой коронки на забое.
Предмет исследования: работа компоновки бурильной колонны, определяющая технико-экономическую эффективность бурения скважин.
Основные задачи исследований:
• обзор и анализ современного представления о работе бурильной колонны, существующих в связи с этим проблемах, опытом применения компоновок со смещенным центром тяжести поперечного сечения;
• анализ современных технических средств по управлению траекторией скважин;
• разработка методики определения оптимального размещения труб со смещенным центром тяжести поперечного сечения в интервале сжатого участка бурильной колонны;
• обоснование принципиальных конструкций труб со смещенным центром тяжести поперечного сечения, исходя из конкретных техникотехнологических параметров бурения;
• производственные испытания бурильных труб со смещенным центром тяжести поперечного сечения в составе сжатой части буровой компоновки;
• разработка эффективных конструкций коронок с эксцентриситетом торца матрицы;
• лабораторные исследования и производственные испытания коронок с эксцентриситетом торца матрицы.
Методы решения поставленных задач. Работа выполнена в соответствии с общепринятыми методами теоретических и экспериментальных исследований. Исследования механизма работы буровой коронки КИТ с измененной формой торца производились на буровом стенде. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с помощью методов математической статистики. Проведены производственные испытания опытных образцов труб КСМ и макетов коронок КИТ на золоторудном месторождении «Попутнинское» для изучения работы бурового снаряда с оптимально размещенными КСМ в сжатой зоне, а также оценки влияния буровой коронки КИТ на интенсивность искривления скважин.
Личный вклад автора состоит в обзоре и анализе литературных источников по тематике работы бурильной колонны и современных технических средств по управлению траекторией скважин; в разработке методики определения оптимального размещения труб КСМ в интервале сжатого участка бурильной колонны; в обосновании конструкций труб КСМ; в проведении стендовых испытаний коронок КИТ; в проведении производственных испытаний макетов коронок КИТ и опытных образцов труб КСМ.
В работе защищаются следующие научные положения:
1. Повышение эффективности работы бурильных колонн, достигается за счет явления динамической стабилизации, которое наиболее полно проявляется в случае размещения специальных труб со смещенным центром тяжести поперечного сечения в сжатой, наиболее деформированной части бурильной колонны с определенным интервалом в точках, соответствующих местам деформации колонн с образованием гребня полуволны деформации, при этом величина эксцентриситета КСМ определяется типом бурильной колонны и параметрами режима бурения.
2. Механизм работы алмазной коронки с эксцентриситетом торца матрицы (КИТ) заключается в перемещении коронки вокруг оси скважины в направлении заданного вращения с прижатием боковой поверхности матрицы и корпуса коронки к стенке скважины в диапазоне центрального угла, включающего широкие промывочные каналы, при этом точка прилегания коронки к стенке скважины смещается в направлении вращения коронки по мере повышения частоты вращения коронки.
3. Для снижения интенсивности естественного искривления скважин, буримых в анизотропных перемежающихся горных породах, эффективно использование коронок с эксцентриситетом торца матрицы (КИТ) при условии устранения их перекоса, возникающего вследствие эксцентриситета торца матрицы и обеспечения условий для равенства гидравлических сопротивлений в промывочных каналах, что позволяет повысить их эффективный ресурс.
Научная новизна:
• разработана методика создания буровых компоновок с применением специальных труб с эксцентриситетом центра масс поперечного сечения (КСМ) и установкой их в сжатой, наиболее деформированной части бурильной колонны с определенным интервалом в точках, соответствующих местам деформации колонн с образованием гребня полуволны деформации;
• предложено теоретическое обоснование конструкций КСМ для алмазного бурения с применением комплексов ССК. Разработаны новые конструкции соответствующих КСМ для основных типоразмеров труб комплексов ССК как отечественного, так и импортного производства с малыми значениями эксцентриситета (0,5 - 1,0 мм) для бурильных колонн, предназначенных для алмазного бурения на высоких частотах вращения (более 500 мин-1);
• установлен механизм работы алмазной коронки с эксцентриситетом торца матрицы (КИТ), который заключается в перемещении коронки вокруг оси скважины в направлении вращения с прижатием боковой поверхности матрицы и корпуса коронки к стенке скважины в диапазоне центрального угла, включающего широкие промывочные каналы, при этом установлено, что точка прилегания коронки к стенке скважины смещается в направлении вращения коронки по мере повышения ее частоты вращения; на основании установленного механизма работы алмазной коронки созданы конструкции новых алмазных коронок, соответствующие оптимальным условиям работы;
• установлено, что для сохранения ресурса коронок с эксцентриси
тетом торца матрицы (КИТ), необходимым условием является обеспечение равенства гидравлических сопротивлений в промывочных каналах и наличие дополнительной защиты боковой поверхности коронки в диапазоне центрального угла, ограничивающего прилегание коронки к стенке скважины.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, достаточной сходимостью расчетных величин с фактическими данными, воспроизводимостью результатов, а также результатами натурных наблюдений.
Практическая значимость работы:
1. Разработан и внедрен буровой инструмент для стабилизации направления траектории скважины.
2. Разработана научно обоснованная методика оптимального размещения КСМ в интервале сжатого участка бурильной колонны.
3. Разработаны конструкции коронок для снижения интенсивности естественного искривления скважин.
4. Спроектирована и внедрена конструкция компоновки бурильной колонны для снаряда ССК, обеспечивающая повышение техникоэкономических показателей бурения геологоразведочных скважин.
Реализация результатов работы. Разработанная автором методика оптимального размещения КСМ в интервале сжатого участка буровой колонны, а так же разработанный им буровой инструмент был успешно внедрен на предприятии ООО «Прикладная геология» (г. Красноярск), что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно представлялись в докладах на XVII-XX Международных научных симпозиумах имени академика М.А. Усова студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоении недр» (Томск, ТПУ, 2013-2016); на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный - 2015» (Красноярск, 2015); на молодежном форуме «Мингео Сибири 2014-2015» (Красноярск, 2014-2015); на Юбилейной Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «МОЛОДЁЖЬ И НАУКА» (Красноярск, 2014); на Российской Нефтегазовой Технической конференции The Society of Petroleum Engineers «Региональный конкурс студенческих работ - Россия и Каспийский регион» (Москва, 2015); на «Всероссийской конференции- конкурсе студентов выпускного курса» (Санкт-Петербург, 2015-2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 из перечня рекомендованных ВАК РФ и 5 патентов РФ.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 111 наименований; содержит 179 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 26 таблиц и 1 приложение.
Автор выражает признательность и благодарность научному руководителю Нескоромных Вячеславу Васильевичу, а также сотрудникам ООО «Прикладная геология» и кафедры ТиТР МПИ института горного дела, геологии и геотехнологий СФУ за помощь и поддержку при выполнении данной научной работы.

Купить

Выполненные исследования являются законченной научноквалификационной работой, в которой решена актуальная научная и практическая задача по исследованию и совершенствованию компоновки бурильной колонны для повышения эффективности бурения геологоразведочных скважин.
Основные выводы, рекомендации, научные и практические результаты диссертационного исследования заключаются в следующем.
1. Компоновки КСМ, установленные в соответствие с разработанной методикой оптимального размещения КСМ в составе сжатого участка бурильной колонны в зависимости от ее параметров и режимов бурения, являются надежным средством повышения эффективности работы колонны путем придания ее деформированной части режима движения Ф1.
2. Разработаны конструктивные параметры компоновок КСМ для высокочастотного бурения комплексами ССК для реализации движения колонны по типу Ф1 при различных режимных параметрах бурения.
3. Спроектированы технические средства для повышения эксцентриситета отдельной КСМ с целью ее эффективного применения , как средства, упорядочивающего вращение колонны при низкочастотном бурении и высоком значении радиального зазора.
4. Получено энергетическое уравнение для определения длины участка колонны, вовлекаемого компоновкой КСМ в режим движения Ф1. Что позволяет определить количество и места установки труб КСМ в зависимости от конструктивных параметров компоновки и режимов бурения.
5. Во избежание преждевременного износа и снижения фрезерующей способности коронку КИТ следует оснащать элементами опорно- центрирующего пояса на корпусе коронки, а так же усиливать боковые наружные поверхности секторов матрицы. Алмазосодержащие секторы должны иметь повышенную концентрацию защищающих от износа пластин из сверхтвердого материала в соотношении F6/FM, а остальные элементы опорно- центрирующего пояса и боковые наружные поверхности матрицы в соотношении FM/F6 , где F6 - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с узкими промывочными каналами, а FM - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с широкими промывочными каналами.
6. При проектировании и изготовлении коронок КИТ необходимо учитывать важность сохранения равенства гидравлических сопротивлений истечению промывочного раствора через промывочные каналы для сохранения ее ресурса, а также оснащать коронку КИТ центрирующим пояском для реализации бокового фрезерования керна и стенки скважины.
7. Матрицу половины торца коронки с меньшей площадью алмазосодержащих секторов следует изготавливать с более высокой твердостью, чем твердость матрицы секторов на половине с большей площадью алмазосодержащих секторов. Причем твердость матрицы этих секторов определяется соотношением F6/FM, где F6 - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с большей площадью алмазосодержащих секторов, а FM - площадь алмазосодержащих секторов на половине торца коронки с меньшей площадью алмазосодержащих секторов.
8. Установлена зависимость изменения точки прилегания коронки к стенке скважины при варьировании параметрами режима бурения, что позволяет провести более точное усиление бокового вооружения коронки для изменения её фрезерующей способности, повышения эффективности её работы и повышения ее ресурса.
9. Разработаны конструкции коронок КИТ, учитывающие основные недостатки предыдущих образцов, выявленные в ходе теоретических исследований, стендовых и производственных испытаний.
10. Практическая значимость научных разработок и технических решений, приведенных в диссертации, подтверждена их внедрением на предприятии, специализирующемся на поиске и разведке месторождений полезных ископаемых ООО «Прикладная геология», и в учебный процесс Сибирского федерального университета.
Данная работа, как и всякая из числа подобных исследований, не лишена недостатков и упущений и, безусловно, не претендует на исчерпывающее освещение вопросов, связанных с совершенствованием компоновки бурильной колонны для повышения эффективности бурения геологоразведочных скважин. В целях дальнейшего повышения эффективности бурения при использовании в составе компоновки труб КСМ и коронок КИТ и их дальнейшего совершенствования и внедрения в практику буровых работ, необходимо продолжить исследовательские и опытно-конструкторские работы в следующих направлениях:
1) продолжить исследования влияния применения компоновок КСМ на основные показатели бурения, такие как интенсивность естественного искривления, выход керна и его «кусковатость», затраты мощности на вращение, скорость проходки, вибрации, ресурса элементов компоновки, количество аварий, качество стволов скважин и др.;
2) детально изучить вопрос совместного применения в составе буровых компоновок труб КСМ и коронок КИТ в части их взаимного ориентирования и влияния в процессе бурения друг на друга;
3) произвести испытания коронок КИТ с целью подтверждения возможности сохранения их ресурса, при соблюдении равенства гидравлических сопротивлений истеканию бурового раствора через промывочные каналы;
4) разработать математическую модель процесса распределения давлений промывочной жидкости в торце коронки КИТ при различной площади промывочных каналов с учетом динамики бурения для анализа их влияния на ее работоспособность;
5) исследовать и определить максимальный ресурс труб КСМ для снарядов ССК, разработать мероприятия по повышению их износостойкости;
6) определить оптимальное число устанавливаемых труб КСМ в сжатой части бурильной колонны с точки зрения экономической целесообразности;
7) произвести испытания труб КСМ в составе бурильной колонны, включая колонковую трубу с эксцентриситетом центра масс, учитывая опрокидывающий момент со стороны забоя скважины.

Купить