Подбор оптимального вооружения долот PDC с целью улучшения показателей бурения

Повышение эффективности долот PDC необходимо для обеспечения максимально эффективной и безаварийной проводки ствола скважины. Существует несколько методов решения этой задачи, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Одним из них является оптимизация режимов бурения, отличающаяся оперативной реализацией, при этом не требуются дополнительные финансовые вложения. Гораздо более длительный процесс – создание новой конструкции долота. Новым перспективным подходом является использование PDC-резцов нестандартной формы, что позволяет существенно повысить показатели бурения без внесения изменений в конструкцию самого долота.

Ввиду того, что современный рынок насыщен PDC-резцами различной формы, основной задачей становится разработка методики подбора вооружения, отвечающего поставленным задачам. В связи с этим в компании была проведена классификация резцов. Условно их можно разделить на три вида:

■ Резцы с дополнительным положительным углом атаки – у них повышенная стойкость, но они могут стать причиной снижения механической скорости проходки (МСП).
■ Резцы с отрицательным углом атаки и дополнительными гранями, обеспечивающими дополнительную точечную нагрузку на разрушаемую породу. Повышают МСП, но могут обладать меньшей стойкостью по сравнению со стандартными резцами.
■ Резцы V-образной формы снижают момент при бурении и являются отличным инструментом для улучшения управляемости долота.

С учетом всех преимуществ и недостатков разных по геометрии PDC-резцов необходим комплексный подход к выбору оптимального типа вооружения. Этот процесс включает несколько этапов:

■ На первом этапе проводится отработка долота с резцами стандартной круглой формы. Выявляются ключевые проблемы и формируются задачи, требующие решения.
■ Исходя из поставленных задач подбирается вооружение нестандартной формы из представленного на рынке ассортимента. Проводятся базовые расчеты, проверяются гипотезы, а при необходимости дорабатывается геометрия резцов.
■ На заключительном этапе производится отработка долота, оснащенного нестандартными резцами, и проводится анализ, аналогичный тому, что был выполнен для стандартного вооружения.

Применение такого комплексного подхода позволило достичь высоких показателей не только на территории Российской Федерации, но и за ее пределами. Например, при решении задачи повышения эффективности бурения в условиях переслаивающихся пород на территории Республики Беларусь использовался резец V-образной формы. При выявлении ключевых проблем было установлено, что уменьшение механической скорости проходки связано главным образом с нестабильной работой долота в режиме слайдирования. Предполагалось, что снижение производительности обусловлено чрезмерным внедрением резцов в породу при низкой частоте вращения долота. Предположение о значительной глубине внедрения резцов в породу подтверждалось данными, полученными с датчика, установленного внутри долота. Кроме того, глубину внедрения резцов в породу можно рассчитать, используя общепринятую формулу:

где DOC– глубина внедрения, мм;
ROP – механическая скорость проходки по данным наземной регистрации (ГТИ), м/ч;
RPM – обороты долота, об/мин.

Для уменьшения площади контакта вооружения с породой в режиме направленного бурения без вращения ротора применялись V-образные резцы. Согласно результатам моделирования эта форма резца позволяет уменьшить площадь контакта на 25% (рис. 1). Отработка долот с обновленным вооружением показала увеличение средней механической скорости проходки при бурении ротором на 47,5%, а при бурении в режиме слайдирования — на 17% (рис. 2).

На месторождении в Восточной Сибири анализ и точечный подбор вооружения позволили сократить время бурения секции хвостовика на 40 часов (затраты времени на 77% меньше, чем запланировано долотной программой). При детальном изучении условий бурения была выдвинута гипотеза, согласно которой для эффективного разрушения крепких пород, таких как доломиты и известняки, необходимо применять специальное вооружение, создающее точечную нагрузку на горные породы, тем самым предварительно разрушая их. Эта гипотеза подтверждается многочисленными исследованиями [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Дополнительно проводилось моделирование взаимодействия резцов различных геометрических форм с горной породой. За основу были взяты параметры, описанные в статье [6]. Результаты моделирования подтвердили гипотезу о том, что резец клиновидной формы оказывает более глубокое воздействие на породу (рис. 3). Время бурения интервала долотом, оснащенным фигурными резцами (рис. 4), составило 52 часа вместо запланированных 92 часов.

Результаты применения PDC-резцов различных типов в разных условиях подтверждают эффективность комплексного подхода. Основополагающими принципами этого подхода являются тщательное изучение проблемы, правильная постановка задачи, постоянный анализ отработок и точечный подбор нестандартного вооружения в зависимости от конкретных целей.

В ходе наших исследований была разработана классификация резцов в зависимости от типа решаемых задач, что в будущем значительно упростит выбор эффективных решений. Одновременно были выявлены недостатки существующих моделей для прогнозирования работы вооружения, в дальнейшем планируется разработка методик, учитывающих не только прочность пород, но и характер их разрушения.