Вдосконалення породоруйнівних інструментів різальної дії для буріння похило-скерованих і горизонтальних свердловин

Abstract

Дисертацію присвячено розробці породоруйнівних інструментів різальної дії, оснащених полікристалічними алмазними різцями, для буріння вибійними двигунами похило-скерованих та горизонтальних свердловин. Основні положення дисертації опубліковані 13 наукових працях. В результаті аналітичних і промислових досліджень визначено, що для покращення техніко-економічних показників будівництва похило-скерованих та горизонтальних нафтогазових свердловин з використанням вибійних двигунів, необхідне створення породоруйнівних інструментів різальної дії пониженої енергоємності буріння. На основі теоретичних і експериментальних досліджень бурових доліт різальної дії встановлені залежності енергетичних параметрів їх роботи від форми профілю та кількості лопатей, які дозволяють запропонувати найбільш раціональні конструкції робочої частини породоруйнівних інструментів для заданих умов буріння похило-скерованих та горизонтальних свердловин. Розроблено математичну модель і експериментально визначено емпіричні коефіцієнти для розрахунків прогнозних енергетичних параметрів роботи породоруйнівних інструментів різальної дії з різними формами робочої частини. Успішно випробувано й впроваджено при будівництві вибійними двигунами похило-скерованих та горизонтальних свердловин дві конструкції бурових доліт і чотири конструкції бурильних головок з запропонованим для заданих умов буріння найменш енергоємним профілем різальної частини.

Диссертация посвящена разработке породоразрушающих инструментов режущего действия, оснащенных поликристаллическими алмазными резцами, для бурения забойными двигателями наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Основные положения диссертации опубликованы в 13 научных работах. В результате аналитических и промысловых исследований определено, что для улучшения технико-экономических показателей строительства наклонно-направленных и горизонтальных скважин с использованием забойных двигателей, необходимо создание породоразрушающих инструментов режущего действия пониженной энергоемкости бурения. Не смотря на то, что технико-экономические показатели работы породоразрушающих инструментов, оснащенных ПАР, превышают показатели шарошечных конструкций, сфера применения долот режущего действия в направленном бурении ограничена из-за осложнений, которые возникают при их использовании с забойными двигателями и попытках оперативного управления траекторией скважины. Связаны они с повышенным рабочим крутящим моментом, который резко изменяется в широком диапазоне даже при незначительных колебаниях осевой нагрузки при бурении чередующихся по прочности горных пород. Это приводит к проворачиванию забойного двигателя, или его остановке, что делает невозможным текущее управление траекторией бурения и существенным образом снижает технико-экономические показатели проходки. Поэтому, на момент постановки данных исследований, в направленном бурении традиционными технико-технологическими средствами большинство работ, которые связаны с набором угла, исправлениями траектории скважины, проведением наклонных и горизонтальных стволов, осуществляются с использованием шарошечных долот. Теоретически исследовано конструкции режущей части долота с пониженной энергоемкостью разрушения горных пород. Разработаны технические средства и методика проведения экспериментов. Проведены экспериментальные стендовые исследования долот с разными формами лопастей: плоской, обратно-конусной, эллиптической и круглоступенчатой. Определение показателей работы долот с исследуемыми профилями режущей части проводили в два этапа: на первом использовали в качестве забоя мрамор «коелга», на втором -цементные блоки. При проведении экспериментов осуществляли ступенчатое изменение параметров режима бурения, величины которых составляли: осевая нагрузка - 15; 20; 25; 30 кН; угловая скорость вращения долота - 1; 2; 3; 4 с-1. На основе теоретических и экспериментальных исследований буровых долот режущего действия установлены зависимости энергетических параметров их работы от формы профиля и количества лопастей, которые позволили предложить наиболее рациональные конструкции рабочей части породоразрушающих инструментов для заданных условий бурения наклоннонаправленных и горизонтальных скважин. Предложено круглоступенчатую форму профиля режущей части долота, в которой с целью уменьшения энергоемкости работы расстояние от оси вращения инструмента до точек соединения криволинейных сегментов меньше их наибольших радиусов. Соответствующая конструкция долота защищена авторским свидетельством на изобретение №1783108, а ее эффективность подтверждена экспериментальными и промысловыми исследованиями. Экспериментальными исследованиями установлено, что изменение количества лопастей незначительно влияет на энергоемкость работы породоразрушающих инструментов режущего действия. Следовательно, для бурения горных пород разной твердости целесообразно разрабатывать долота с числом лопастей, которое определяется фактором необходимой износостойкости. Разработана математическая модель и экспериментально определены эмпирические коэффициенты для расчетов прогнозных энергетических параметров работы породоразрушающих инструментов режущего действия с различными формами рабочей части. Предложена форма рабочей поверхности бурового долота, в которой для уменьшения энергоемкости бурения режущая часть выполнена в виде криволинейных сегментов, которые у соседних лопастей расположены на разных расстояниях от торца, и обратных клиньев с вершинами на оси вращения инструмента. Указанная форма долота защищена патентами Украины №3846 и Российской Федерации №42571. Изготовление опытных образцов и партий породоразрушающих инструментов с пониженной энергоемкостью бурения (четырех конструкций буровых долот и пяти - бурильных головок) организованно и осуществлено на Экспериментальном заводе Института сверхтвердых материалов им. В.М. Бакуля НАН Украины. Промысловые испытания и внедрение разработанных породоразрушающих инструментов осуществляли на нефтегазовых месторождениях ОАО «Укрнефть» и ОАО «Татнефть». Успешно испытано и внедрено при строительстве наклонно-направленных и горизонтальных скважин две конструкции буровых долот и четыре конструкции бурильных головок с предложенной для заданных условий бурения наименее энергоемкой формой режущей части.

The dissertation is devoted to development of PDC (polyciystalline diamond compact) bits for drilling of directional and horizontal wells. There are 13 scientific works, which contain main results of researches. Analytical researches and field tests indicate a necessity of PDC bit designs for overall economics improvement of drilling directional and horizontal wells with a downhole motor application. Development of the fixed cutter bit designs with low energy consumption is necessary. On the basis of theoretical and experimental researches are found the relations between drilling energy parameters and fixed cutter bit designs (profile and quantity of blades). That helps to design PDC bits for drilling directional and horizontal wells pursuant to given conditions. The mathematical model for energy parameter calculations of a PDC bit activity is improved. Experimentally trial-and-error factors for different form of PDC bits are determined. Two PDC bit designs and four core bit designs with low energy consumption at drilling by downhole motors of directional and horizontal wells were successfully tested and introduced.