О влиянии интенсивности износа в рабочих органах винтовых забойных двигателей на эффективность бурения и ремонта скважин с их применением

УДК 622.24.05 Р.В. Карапетов

О ВЛИЯНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНОСА В РАБОЧИХ ОРГАНАХ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ БУРЕНИЯ И РЕМОНТА СКВАЖИН С ИХ ПРИМЕНЕНИЕМ

Приведены результаты теоретических исследований взаимосвязи влияния основных эксплуатационных факторов на интенсивность изнашивания в рабочих органах винтовых забойных двигателей при бурении и ремонте скважин. Использование полученных результатов позволит оптимизировать процесс бурения и ремонта скважин с применением таких двигателей.

Ключевые слова: скважина, забойный двигатель, бурение, ремонт.

R. V. Karapetov

ABOUT INFLUENCE OF INTENSITY OF DETERIORATION IN WORKING BODIES SCREW ЗАБОЙНЫХ ENGINES ON EFFICIENCY OF DRILLING AND REPAIR OF CHINKS WITH THEIR APPLICATION

Results of theoretical researches of interrelation of influence of the basic operational factors on intensity of wear process in working bodies screw забойных engines are resulted at drilling and repair of chinks. Use of the received results will allow to optimise process of drilling and repair of chinks with application of such engines.

Key words: Лink, the screw engine, drilling, major repairs.

Эффективность строительства и ремонта скважин - единый комплексный показатель, определяющий материально-техническую, технологическую и организационную составляющие. С точки зрения повышения эффективности строительства и ремонта скважин, в прикладном аспекте, наиболее важным является анна-лиз факторов оказывающих доминирующие влияние на технико-эконо-мические показатели определенных технологических операций с целью повышения качества их проведения.

Объем и разновидность технологический операций, проводимых в скважинах с применением винтовых забойных двигателей, постоянно растет. Причем, рост определяется, как увеличением объема традиционных операций, в которых используются ВЗД (бурение наклоннонаправленных и горизонтальных скважин, зарезка боковых стволов), так и применением новых технологий проводки и ремонта скважин с применением ВЗД совместно с использованием колтюбин-говых установок, строительством муль-тилатеральных скважин, проведением работ по дренированию призабойной зоны путем забуривания из ствола ответвлений малого диаметра).

Технологическая эффективность применения ВЗД, практически во всех операциях, определяется степенью оптимизации (проектной и фактической) между технической характеристикой гидродвигателя и инженерно-геологи-ческими условиями в скважине, определяющими критерии реализации необходимых режимно-технологических параметров применения ВЗД.

Первичным фактором, определяющим эффективность применения ВЗД ,

является рациональное проектирование технологического режима в конкретных условиях применения. Традиционно, в основе проектировании технологии бурения скважин с применением ВЗД, прежде всего, определяется величина необходимого крутящего момента, который должен развивать двигатель, в зависимости от заданной величины осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент [1]. Как правило, для этого пользуются зависимостью [2]:

М =

где G - проектная осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент; M -величина необходимого крутящего момента на валу забойного двигателя; Dд -диаметр долота; % - коэффициент, зависящий от типа долота.

В свою очередь, крутящий момент, развиваемый винтовым двигателем, описывается выражением [1]:

/АР -АР„ 02 V р

М =

(А

где АР = а

ь /2

б2 р

/2

а = 5,689 + 831,13 + 26232 3

Ь =

Р02{

9,028 + 280,93+ 288979 3

с = 1,196 + 42,243 - 4338 32 , 3 = ^р;

M - крутящий момент развиваемый двигателем; АР - перепад давления в двигателе, соответствующий значению крутящего момента М; АР^ - перепад давления в двигателе на холостом ходу; Q - расход рабочей жидкости; V - рабочий объем секции рабочих органов; р - плотность рабочей жидкости; / - площадь проходного сечения рабочих органов; 3 - значение радиального натяга в рабочих органах ВЗД.

Из приведенных зависимостей видно, что проектирование режима бурения с применением ВЗД является оптимиза-

ционной задачей, определяющей соответствие конструктивные особенности двигателя общетехнологическим режимным параметрам проводки скважины с учетом инженерно-геологических условий.

В качестве основного конструктивного параметра, определяющего нагрузочную способность ВЗД можно выделить значение радиального натяга в рабочих органах. Как правило, при проектировании режима бурения сква-жин с применением ВЗД значение 3 принимается паспортным. Однако, в процессе эксплуатации проис-ходит неизбежное уменьшение ради-ального натяга вследствие износа по-верхносте рабочих органов. В свою очередь, это приводит к снижению крутящего мо-мента на выходном валу и уменьшению нагрузочной способности двигателя, что резко снижает технико-экономи-ческте показатели бурения. Особенно заметно влияние износа на снижение крутящего момента ВЗД при исполь-зовании в качестве рабочих жидкостей аэрированных растворов и пенных систем, так как в таких условиях ха-рактеристика двигателя М/п становит-ся гораздо менее жесткой. Важно также отметить, что несоответствие запроектированной

величины осевой нагрузки уменьшеному, вследствие сни-жения радиального натяга, текущему значению крутящего момента выводит режим эксплуатации двигателя за пре-делы оптимального, снижает эффективность работы породоразрушающего инструмента и повышает интенсив-ность износа.

Наиболее простым способом компенсации снижения крутящего момен-та в процессе примененеия ВЗД яв-ляется увеличение расхода рабочей жидкости [3]. Однако такая мера не всегда эффективна и может привести к возникновению различных осложне-ний

в скважине. Так, увеличение рас-хода значительно повышает величину гидродинамической составляющей, особенно, в случае применения двигателей малого диаметра, а в уловиях бурения на депрессии (равновесии) является крайне нежелательным, так как спо-собствует кольматации призабойной зоны вскрываемого горизонта и часто приводит к возникновению дифференциального прихвата.

В настоящее время одним из основным направлений повышения эффективности применения ВЗД при бурении и ремонте скважин является обеспечение сохранения первона-чаль-ого натяга в рабочих органах в процессе эксплуатации двигателя. В основном эта задача решается конст-руктивными методами - увеличением активной части длины секции рабочих органов, применением статоров с равной толщиной эластомерной об-кладки, секционированием и т.д. В ряде случаев, реализация этих реше-ний имеет значительные ограничения, связанные как с техническими проб-лемами изготовления, так и с техно -логическими факторами применения. В первую очередь это касается двигателей среднего и малого диаметра, объем применения которых значительно вырос в последнее время. Это объясняется значительным увеличением такого вида работ, как зарезка и бурение боковых стволов, строительство многозабойных скважин и проведение различных ремонтно - восстановительных работ. С учетом наметившейся тенденции востребованность ВЗД малого и среднего типоразмеров будет только возрастать. Прежде всего это связано с необходимостью увеличения объема разработки нефтегазовых месторождений, расположенных в континентальном

шельфе морей, как в России, так и за рубежом, а также необходимостью сооружения скважин в труднодоступ-ных районах Восточной Сибири. Экономическая эффективность строительства скважин в таких условиях может быть достигнута именно путем зарезки м бурения дополнительных стволов в разведочных скважинах и скважинаж бездействующего фонда, где применению ВЗД малого диаметра практически не существует альтернативы.

Широкое внедрение в последнее время долот нового поколения, особенно типа PDC, предъявляет повышенные требования к износостой-кости забойного привода. Одним из перспективных направлений повышения эффективности примения ВЗД при бурении и ремонте скважин, является проектирование режима бу-рения с учетом прогнозируемого сни-жения нагрузочной способности дви-гателя в конкретных условиях экс-плуатации.

С этой целью, необходимо на стадии проектирования технологического режима проводки или ремонта скважин с применением ВЗД, учитывать изменение осевой нагрузки на долото из условий снижения крутящего момента двигателя вследствие снижения натяга в рабочих органах.

Для этого целесообразно установить зависимость влияния основных эксплуатационных факторов на скорость уменьшения первоначального натяга, т.е. на интенсивность изнашивания поверхностей ротора и статора ВЗД.

Интенсивность изнашивания V, характеризующая скорость снижения величины натяга в рабочих органах вследствие износа поверхностей ротора и статора, в общем случае зависит от значения первоначального натяга (30), определяющего величину нормальной силы в контакте (№), относительной скорости

перемещения (Уск) и концентрации абразивного материала в рабочей жидкости (С) [3].

Функциональная зависимость, определяющая взаимосвязь влияния этих факторов на скорость снижения первоначального натяга в рабочих органах ВЗД была получена с применением теории размерностей [4].

V=ф^ ^)

В соответствии с полученной зависимостью, изменение скорости изнашивания является многомерной функцией трех переменных. Для практического использования полученной зависимости необходимо получение раздельных экспериментальных зависимостей влияния каждого из трех аргументов, входящих в уравнение (3).

у = /I In

у = /

ln

ln

•Jn

-In

4n

у і

у2

=f

=f

После преобразований с применением теоремы о полном дифференциале многомерной функции, зависимость изменения скорости снижения натяга от

влияния основных эксплуатационных факторов запишется в виде:

дУ.

Vj (Ps, Ру , Рс ) = У о + dPs +

Ps

дУ.п дУ.п

+^~ dPv +^~ dPc

дРу дРс

где Vj0 - значение функции в опорной точке (за опорную точку принимается значение функции, рассчитанное для констант соответствующих аргументов).

Приведенные зависимости дают представление о взаимосвязи влияния основных эксплуатационных факторов на интенсивность изнашивания в рабочих органах ВЗД определяющую характер изменения режимно-технологических параметров в процессе эксплуатации. Практически, использование полученных результатов с учетом анализа промысловых данных по отработке ВЗД в реальных условиях, позволит проектировать процесс бурения с применением ВЗД с позиций обеспечения его максимальной технологической стабильности. Повышение эффективности применения ВЗД при бурении и ремонте скважин может быть достигнуто за счет разработки, на основе полученных зависимостей, математического алгоритма корректировки технологического режима на стадии проектирования

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Беркунов B.C. Проектирование гидравлической программы промывки скважины при бурении с помощью винтовых забойных двигателей [Текст] / B.Q Беркунов, Е.Г. Леонов // НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море». М.: ОАО "BHИИОЭHГ", 2005. № 8-9. С. 7-10.

2. Леонов Е.Г. Гидроаэромеханика в бурении [Текст] / Е.Г. Леонов, B.K Исаев // М.: №дра - 1987. С. 304.

3. Балденко Д.Ф. Bиптовые забойные двигатели [Текст] /Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, A.H. Гноевых. М.: №дра, 1999. С. 374.

4. Акопов С.А. Вывод функционального уравнения интенсивности износа рабочих органов винтовых забойных двигателей с применением теории размерностей [Текст] / С.А. Акопов, Н.С. Пенкин, Г.П. Шелудько, Р.В. Карапетов [и др.]: сб. науч. тр. // Проблемы эксплуатации и капитального ремонта скважин на месторождениях и ПХГ /СевКавНИПИгаз. Ставрополь: СевКавНИПИгаз, 2003. С. 176185. ЕШ

Коротко об авторе

Карапетов Р.В. - ЗАО «Газтехнология» (Joint-Stock Company "Gaztehnologiya"), bsb.gt@rambler.ru