Анализ работы долот PDC при строительстве скважин

Аннотация. Целью данной статьи является анализ работы PDC при строительстве скважин.

Ключевые слова: PDC, долото, анализ, вооружение

При бурении новыми алмазными долотами - долотами типа PDC (polycrystallinediamondcutters - поликристаллические алмазные резцы) - обес­печивается большая механическая скорость проходки, как и сама проходка на долото по сравнению с бурением алмазными и трехшарошечными долотами при меньших энергетических затратах. При применении долот PDC разрушение породы осуществляется путем резания. Из всех основных механизмов разруше­ния горной породы резание является наиболее эффективным методом, потому что прочность на растяжение пород обычно меньше прочности на сжатие.

В условиях карбонатных пород чередуются породы V-IX категорий твер­дости. Присутствуют труднобуримые пропластки. Выпускаемые же долота PDC в основном предназначены для пород не выше VI категории буримости и средней, а также высокой абразивности [3]. Преимуществами долот PDC перед шарошечными долотами являются отсутствие в их составе подвесных элемен­тов (деталей), высокая износостойкость и при этом самозатачиваемость за счет опережающего изнашивания твердосплавной матрицы по сравнению с износом алмазного слоя.

Долото PDC имеет высокую устойчивую механическую скорость буре­ния, что объясняется эффектом самозатачивания инструмента. Тем не менее в Восточной Сибири и Якутии в условиях карбонатных коллекторов и трещино­ватых пород применяемые долота PDC показывают невысокую стойкость и прочность, выходят из строя.

В настоящее время в Сибири и Якутии для бурения нефтегазовых наклонно-направленных и горизонтальных скважин сплошным забоем широко применяются долота PDC почти всех ведущих производителей мира. Была про­анализирована эксплуатация долота PDС на Талаканском, Верхнечонском ме­сторождениях и Куюмбинской площади. Резцы PDC показали стойкое сопро­тивление абразивному износу и большую чувствительность к ударной нагрузке.

Рассматривались долота 220,7 FD 368-MH-A80-01; БИТ 292,9 В 716 УСМ; MDi 713NPX производства компании Smith. Режимы бурения: роторный способ при комбинированном бурении гидравлическим винтовым забойным двигателем с нагрузкой на долото 80-13 кН, частотой вращения 50-200 об./мин, расходе бурового раствора до 40 л/с и давлении 10-15 МПа. При буре­нии сложного и «неудобного» геологического разреза механическая скорость проходки и проходка на долото падают. Незначительная проходка, ограничен­ная опережающим износом вооружения, делала нерациональным применение долот PDC. При бурении наблюдался как механический, так и термомеханиче­ский износ резцов. Бурение окремненных участков, крепких доломитов, пород с вертикальной и субвертикальной трещиноватостью твердых и переслаиваю­щихся пород приводит к многочисленным сколам на резцах, отслаиванию и выкрашиванию алмазосодержащих пластин, слому и даже вырыванию режу­щих деталей.

При бурении скважин следует учитывать такие параметры, как тип гор­ной породы и планируемый режим вращения долота. Замечено, что при буре­нии мягких пород и пород средней прочности происходит их резание, а при бу­рении твердых пород - хрупкое разрушение путем скалывания. Причем способ разрушения породы зависит не только от ее прочности, но и от таких парамет­ров скважины, как температура и давление в ней [1, 5].

При хрупком скалывании порода разрушается с очень небольшой или ну­левой деформацией. При пластическом разрушении порода упруго деформиру­ется до предела текучести, после которого происходит пластическая деформа­ция до разрыва. При бурении долотами PDC на резцы действуют вертикальная сила веса колонны и горизонтальная сила от ротора. Главными при этом явля­ются приложенные касательные силы [6, 7].

Полученная равнодействующая сила определяет плоскость упора резца. В результате при бурении элемент породы сдвигается под определенным углом относительно плоскости упора резца, который зависит от прочности породы. Разбуриванию поверхностного слоя забоя помогает образующееся ядро сжатия на рабочей поверхности резца. Форма и размер ядра зависят от свойств горной породы и скорости воздействия на нее. На некоторых рабочих поверхностях резца долота после его поднятия на дневную поверхность можно увидеть не­разрушенные наросты (ядра сжатия) в виде усеченного конуса с расширением к нижнему краю резца.

Именно наросты создают опережающее воздействие на породу, а затем уже передняя поверхность инструмента. Нарост создает трещины в ближайшей к резцу области породы. Трещины увеличиваются благодаря сдавливанию рез­цом. Происходит объемное разрушение породы по линиям сдвига и ее отброс в стороны от проложенной борозды с захватом отбуренной породы потоком рас­твора и вынос ее на поверхность.

В результате анализа подачи раствора на месторождениях при бурении рекомендуется подавать максимальное количество бурового раствора, не огра­ничивая его объем. Так, на Талаканском месторождении при бурении на скоро­стях 50-150 об./мин долотом PDC механическая скорость бурения была увели­чена на 40-55 % при повышении расхода раствора с 32 до 40-50 л/с. При этом поднятое на поверхность долото и резцы были чистыми, без следов сальнико- образования. Для увеличения проходки на долото и улучшения управляемости рекомендуется применять резцы уменьшенного диаметра, до 12-13 мм, с уве­личенным количеством гидромониторных насадок.

При работе с забойным двигателем для эффективности работы PDC ре­комендуется, чтобы скорости потока бурового раствора были в верхнем диапа­зоне скоростей двигателя, так как работа со скоростями из нижнего диапазона приводит к ограничению нагрузки на долото и, соответственно, к уменьшению вращающего момента, что влияет на скорость проходки.

Как показывает опыт бурения с применением забойных двигателей, для использования долот PDC более эффективны забойные двигатели с высоким моментом вращения. Это особенно видно, когда скорости потока раствора и его давление на дневной поверхности ограничены. Для забойных двигателей с вы­соким моментом и низкой скоростью вращения рекомендуется иметь падение давления в диапазоне 4,1-5,5 МПа, для двигателей с более высокой скоростью вращения падение давления должно быть в диапазоне 7-8,3 МПА.

Для бурения с большим отклонением от вертикали общее падение давле­ния при применении забойных двигателей рекомендуется в диапазоне 8,3- 10 МПа. Практический опыт показывает, что долото PDC работает лучше, если оно снабжено насадками для достижения высоких скоростей раствора. Высокое давление при этом не требуется. Скорости потока раствора для долот PDC с от­крытыми насадками должны превышать 35 л/с для ствола насадки в ^ дм и 45 л/с в А дм, конечно, с коррекцией в зависимости от литологии и типа бурового раствора. Кроме того, обильная подача раствора не дает повышаться темпера­туре резцов выше 700 °С [10].

При достижении данной температуры резцы быстро изнашиваются из-за неравномерности теплового расширения между связкой (кобальтом) и алмазом. Поэтому при бурении твердых пород лучше использовать термостойкие резцы PDC. Их истирающее действие обеспечивает разрушение цементирующих ве­ществ, связывающих отдельные зерна породы. Резцы с TSP (thermallystablepolycrystalline - поликристаллические теплостойкие) устойчивы до температуры 2100 °С [11, 12]. Для эффективной ориентации резцов относи­тельно корпуса долота рекомендуется такое их расположение, при котором нагрузка на них во время эксплуатации создавалась бы только под действием сил сжатия.

Также важную роль для всего процесса бурения играет стабильность до­лота PDC. На забое долота совершают хаотичные движения, которые включают боковые, осевые и крутильные колебания, отмечающиеся отдельно и в ком­плексе. Забойные вибрации снижают срок службы отдельных резцов, они ме­шают контролю траектории скважины, создают ствол неправильной формы и невыдержанного диаметра.

На Талаканском месторождении долота PDC производства «Буринтех» и Steeringwhell применялись с активным калибрующим резцом, который обеспе­чивает агрессивную способность бокового резания из-за малых передних углов. При этом улучшилась управляемость в отношении изменения траектории дви­жения, снизилось трение калибрующего вооружения о стенки скважины, уменьшились затяжки и реактивный крутящий момент. Предлагается влияние крутящего момента снизить уменьшением переднего угла резцов до -5.-10°, ограничить размеры резцов до диаметров 13-14 мм, а в качестве вспомогатель­ных резцов применять гибридные резцы.

Для уменьшения прихвата-скольжения рекомендуется применять гибрид­ные долота PDC с импрегнированными резцами на калибрующей части ин­струмента. Такие резцы будут ограничивать проникновение в породу стенок ствола и сглаживать резкие изменения крутящего момента. В настоящее время применяемые долота PDC имеют в качестве вооружения калибрующей части такие же резцы, как и резцы на забое. При колебании они выхватывают элемен­ты породы стенки ствола скважины и этим создают ствол овальной формы и ненормативного диаметра. Балансировать долото PDC можно и с помощью конструктивных особенностей, например, создавая спиральные площадки ка­либрующего вооружения. Они будут снижать способность долота к боковому проникновению или долблению стенок скважины за счет увеличения кругового контакта. Создавая спиральные лопасти, приближается точка вращения долота к центру.

Таким образом, для долот PDC рекомендуется применение низкофрикци­онного калибрующего вооружения на одной стороне долота и размещение рез­цов таким образом, чтобы все неуравновешенные силы были в направлении ка­либровочного вооружения. Рекомендуется также для бурения наклонно­направленных скважин применять долота общей короткой длины.