Выбор долот PDC в соответствии с твердостью и абразивностью горных пород

БУРЕНИЕ

УДК 622.24

О.Б. Трушкин, к.т.н., докторант кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Выбор долот PDC в соответствии с твердостью и абразивностью горных пород

Алмазные режуще-скалывающие долота (долота PDC) находят все более широкое применение при бурении скважин на нефть и газ. Долото для разбуривания конкретного интервала горных пород должно соответствовать их твердости и абразивности. Задача выбора долота вероятностная, так как механические свойства горных пород изменяются в весьма широких пределах. Уровень значимости (риск) в расчетах принимается равным 2,5%. Решение задачи выбора конструкции вооружения получено на примере долот, изготавливаемых ООО НПП «Буринтех». В рекомендациях предприятия по применению долот даны диапазоны твердости и абразивности горных пород в категориях. В этих рекомендациях прослеживается зависимость числа лопастей долот как от твердости, так и от абразивности горных пород. Но для долот разных конструкций области их применения перекрываются, что затрудняет однозначный выбор долот при проектировании режима бурения. Авторами предложены две номограммы для выбора долота PDC в соответствии со статистическими характеристиками горных пород интервала бурения. По первой номограмме выбираются долота в соответствии с твердостью, а по второй долото уточняется в соответствии с абразивностью горной породы. В статье приведен численный пример использования номограмм по данным о свойствах горных пород разреза Приобской площади в Западной Сибири. Выбор по номограммам сопоставлен с реально применяемыми конструкциями долот на этой площади. Результаты сопоставления показали, что выбранное по номограммам долото совпадает с наиболее эффективным из применяемых долот.

Ключевые слова: долото PDC, твердость и абразивность горных пород, номограмма, режим бурения, выбор долот.

O.B. Trushkin, Federal State-Funded Educational Institution of Higher Professional Education Ufa State Petroleum Technological University (Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia), doctoral candidate of the Oil and Gas Well Drilling Department, e-mail: azimtrushkin@yandex.ru; A.N. Popov, Ufa State Petroleum Technological University (Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia), Doctor of Science (Engineering), professor of the Oil and Gas Well Drilling Department

Choice of PDC bits in accordance with hardness and abrasion of the formations

Diamond cutting-chipping bits (PDC bits) find all more broad using when boring the bore holes on oil and gas. The bit for drilling concrete interval of the formations must conform to their hardness and abrasion. The problem of the bit choice is probabilistic because mechanical characteristics of the formations change in more broad limits. The level of significance (risk) is assumed equal to 2.5%. Solution of the design choice of cutting structure bits obtained by the example of the bits produced by Burintekh, Ltd. In the recommendations of the enterprise of bits applications are given the ranges of hardness and abrasiveness of rocks in the categories. In these recommendations there is a dependence the numbers of blades drill bits both from the hardness and abrasiveness of rocks. But for a bit different designs their applications overlap, making it difficult bits clear choice when designing drilling mode. The authors of article proposed two nomograms to choice PDC in accordance with the statistical characteristics of rocks drilling interval. By first nomogram, bits are selected in accordance with the hardness, and by the second nomogram bit is specified in accordance with the abrasiveness of rock. The article presents a numerical example of the use of nomograms, according to the properties of rocks on area Priobskaya in West Siberia. The choice on the nomogram was compared with the actually used bit designs on this area. The results of the comparison showed that selected by nomograms bits coincide with the most effective of the used bits.

Keywords: PDC bits, hardness and abrasion of formations, nomogram, drilling mode, choice of bit.

34

№ 6 июнь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

Таблица 1. Параметры областей применения долот PDC, изготавливаемых ООО «НПП «Буринтех» Table 1. Parameters of scopes of PDC bits application manufactured by Burintekh Scientific and Production Enterprise LLC

Количество лопастей долот Number of bit blades Твердость горных пород Hardness of rocks Абразивность горных пород Abrasiveness of rocks

H , кат. H , cat. Н , кат. в' Н , cat. в' А , кат. А , cat. А , кат. в' А , cat. в'

3 2,5 4 3,0 5

4 3,0 5 3,5 6

5 2,5 4 3,5 6

6 4,0 6 4,5 8

7 5,0 7 4,5 8

8 5,5 7 5,5 10

9 6,5 8 5,5 10

Долота режуще-скалывающего действия, оснащенные алмазно-твердосплавными резцами, находят все более широкое применение при бурении скважин на нефть и газ. По конструкции долота PDC могут быть корпусными и лопастными. В настоящее время изготавливаются в основном лопастные долота. Например, ООО «НПП «Буринтех» изготавливает долота с числом лопастей от 3 до 9 [1].

Долото для разбуривания конкретного интервала горных пород должно соответствовать их твердости и абразив-ности. Задача выбора долота является вероятностной, так как механические свойства горных пород изменяются в весьма широких пределах. На стадии проектирования режима бурения при отсутствии количественной информации о механических свойствах горных пород используется метод аналогий. По мере накопления количественной информации появляется возможность использования расчетного метода обоснования перспективных вариантов и отсеивания неперспективных вариантов режима бурения, а также конструкций буровых долот [2].

Известен метод выбора типа и класса долота с использованием номограмм,

описанный в [2]. В качестве основного аргумента принята твердость горных пород в категориях. Учет абразивности горных пород заменен требованием использования ресурса опор долотами с вооружением 1-го класса (стальным фрезерованным вооружением шарошек). Бурение долотами 1-го класса целесообразно, если долговечность их вооружения больше или равна долговечности опор шарошек. В противном случае предпочтительно долото с вооружением 2-го класса (в виде запрессованных в тело шарошек твердосплавных зубков).

Долота PDC не имеют опор, а поэтому твердость и абразивность горных пород влияют только на выбор конструкции их вооружения. Рассмотрим решение выбора конструкции вооружения на примере долот, изготавливаемых ООО «НПП «Буринтех». В рекомендациях предприятия по применению долот даны диапазоны твердости и абразивности горных пород в категориях [1]. Для долот разных конструкций эти диапазоны перекрываются, что не позволяет сделать однозначный выбор при решении конкретной задачи.

Рис. 1. Номограмма для выбора долот PDC по твердости Fig. 1. PDC bits selecting (hardness) chart

/

8и9 X"

ъ*1/

/  1 Г 1 1

» /Г 1

У ' <>.....1IV у. 1 1

: ff 'F 1—--t— 1 1 1 1 1 1

Абрэзиеностъ, кат.

Рис. 2. Номограмма для выбора долот PDC по абразивности Fig. 2. PDC bits selecting (abrasiveness) chart

Ссылка для цитирования (for references):

Трушкин О.Б., Попов А.Н. Выбор долот PDC в соответствии с твердостью и абразивностью горных пород // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2015. - № 6. - С. 34-38.

Trushkin O.B., Popov A.N. Vybor dolot PDC v sootvetstvii s tverdost'ju i abrazivnost'ju gornyh porod [Choice of PDC bits in accordance with hardness and abrasion of the formations]. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 6. P. 34-38.

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 6 июнь 2015

35

БУРЕНИЕ

Таблица 2. Показатели работы долот PDC на Приобском месторождении Table 2. Performance of PDC bits at Priobskoye field

№ п/п No. БИТ 215,9 ВТ 416 УЕ BIT 215,9 VT 416 UE БИТ 215,9 ВТ 613 BIT 215,9 VT 613 UE

Проходка на долото, м Bit footage, m Механическая скорость, м/ч Mechanical speed, m/h Проходка на долото, м Bit footage, m Механическая скорость, м/ч Mechanical speed, m/h

1 4877 48,0 4152 30,1

2 3946 47,2 4821 35,1

3 4731 46,1 3483 25,8

4 5052 55,1 4211 37,5

5 5112 46,1 4093 24,5

6 4087 38,9 3321 32,7

7 3888 41,2 4983 29,3

8 4913 43,9 2971 28,4

9 3179 49,7 5233 33,6

10 4388 50,1 4513 31,7

11 5821 52,8 4445 37,0

12 4612 44,3 4012 27,0

13 4269 47,9 3791 35,6

Средние Average 4529 47,0 4156 31,4

Твердость и абразивность горных пород рассмотрим как случайные величины, а диапазон области применения долот - как размах варьирования случайной величины. В бурении границы размаха варьирования случайных величин принято оценивать с вероятностью 0,95 [3]. Известно, что распределения твердости и абразивности горных пород, измеренных в категориях, не противоречат нормальному закону [2]. Это позволяет воспользоваться методом статистической обработки малых выборок [4]. Тогда для случайной величины Х среднее арифметическое значение х равно полусумме максимального и минимального значений размаха варьирования, т.е

х =

* тах min'/ * '

а верхнее значение с вероятностью 0,95 х = х .

в мах * '

Подготовленные таким образом параметры от среднего до верхнего значений твердости Н и абразивности А горных пород, для которых предназначены долота ООО «НПП «Буринтех», приведены в таблице 1. Из нее видно,

что чем больше твердость и абразивность горной породы, тем с большим числом лопастей требуется долото для ее разбуривания.

На рисунках 1 и 2 данные таблицы 1 приведены в виде двух номограмм для выбора долота по твердости (рис. 1) и по абразивности (рис. 2) горной породы. На оси абсцисс шкала показателя свойств горных пород приведена в категориях. Максимальная величина оси ординат принята равной максимальной величине оси абсцисс. В полученном квадрате проводится диагональ - линия средних значений показателя свойств горной породы. Далее на номограмму нанесены правые половины области применимости долота в виде отрезков прямых, т.е. области от х до хв в соответствии с таблицей 1. Рассмотрим построение половины области применимости на примере 3-лопастного долота (рис. 1). На оси абсцисс отложить величину H = 2,5 кат. и из полученной точки В восстановить перпендикуляр до пересечения с диагональю (точка С). Из точки С провести горизонталь до точки D, абсцисса которой равна Нв = 4 кат. Прямая CD - искомая половина области применимости 3-лопастного

долота. Аналогично построены половины областей применимости остальных долот. Области применимости могут совпадать: например, области твердости горных пород для 3- и 5-лопастных долот (рис. 1).

Выбор долота по номограмме рассмотрим для условного интервала горных пород со следующими параметрами их механических свойств: средняя арифметическая твердость горных пород Н. = 4,5 кат.; верхнее значение твердости Нвг = 5,5 ка т.;

средняя арифметическая абразивность горных пород Аг = 4,5 кат.; верхнее значение абразивности Авг = 5,5 кат.

Ключ к номограмме прорисован пунктиром. На оси абсцисс номограммы отложить величину Нг (точка В) и восстановить перпендикуляр ВС до пересечения с диагональю. Из точки С провести горизонтальную прямую CD. Ближайшие к прямой CD долота перспективны для применения. Для уточнения долота из точки Е (с абсциссой Нвг) восстановить перпендикуляр до пересечения с ближайшим вышележащим отрезком, соответствующим области применения долота. Перпендикуляр из точки Е пересекает как нижележащий, так и вышележащий отрезки. Это означает, что оба соответствующих долота (6- и 7-лопастное) перспективны для применения, но предпочтение следует отдать нижележащему долоту (показано стрелкой). Рассмотрим другой случай. Перпендикуляр из точки F нижележащий отрезок не пересекает, а пересекает только вышележащий. В этом случае перспективным будет только 7-лопастное долото. Для принятия окончательного решения следует проверить соответствие выбранного долота абразивности горных пород по номограмме на рисунке 2. Аналогично твердости на оси абсцисс номограммы отложить величину Аг (точка В') и восстановить перпендикуляр В'С' до пересечения с диагональю. Из точки С' провести горизонтальную прямую CD'. Ближайшее к прямой C'D' 3-лопастное долото перспективно для применения, т.к. перпендикуляр из точки E' пересекает область применимости этого долота. Но это долото не соответствует

36

№ 6 июнь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

КОМПЛЕКСНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

СЕТэнеРгпшпнтнн) ПРОЕКТ • ПОСТАВКА • МОНТАЖ • ПУСКО-НАЛАДКА • СЕРВИС • ГАРАНТИИ

14-1008, Московская область, г.Мытищи, Проектируемый проезд 5274, стр. 7 Тел/факс; +7 [495] 627-72-55. www.sst-em.ru;www.teplomag.ru. email: infoOsst-em.ry

СИСТЕМЫ

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ СИСТЕМЫ ОБОГРЕВА

.InWarm Wool InWarmFoam

I

InWarm Flex !

Резис_тивнь|й_к_абель _

Скин-система

Саморегулирующийся кабель

MIOGE

Компания «ССТэнергомонтаж» принимает участие в 13-й Московской международной выставке «НЕФТЬ И ГАЗ» / МЮБЕ 2015, которая пройдет с 23 по 26 июня 2015 года, в ЦВК «Экспоцентр».

Приглашаем коллег и партнеров на наш стенд № В133, павильон № 2, зал №1

www.mioge.ru

БУРЕНИЕ

Таблица 3. Сравнение проходок на долото и механических скоростей бурения долотами PDC на Приобском месторождении

Table 3. Comparison of the bit footage and mechanical speed of drilling with PDC bits at Priobskoye field

Долото Проходка на долото Bit footage Механическая скорость Mechanical speed t0.95

Bit H , м H , m t12 va , м/ч vm , m/h t12

4-лопастное 4-blade 4529 1,43 47,0 9,14 2,06

6-лопастное 6-blade 4156 31,4

твердости горной породы, а поэтому следует принять 6-лопастное долото для первого случая или 7-лопастное -для второго.

Соответствие выбора долота по номограммам реальному режиму бурения проверено по данным для Приобской площади в Западной Сибири. Долотами PDC ООО «НПП «Буринтех» диаметром 215,9 мм бурятся верхне- и нижнемеловые отложения, твердость пород которых изменяется от 1-й до 6-й категории, а абразивность - от 2-й до 7-й категории [5]. Принимаем, что средняя арифметическая твердость горных пород Н = 3,5 кат.; верхнее значение твердости Нвг = 6,0 кат.; средняя арифметическая абразивность горных пород Аг = 4,5 кат.; верхнее значение абразивности Авг = 7,0 кат. Наносим эти данные на номограммы штрихпунктирными линиями. Характер-

ные точки выделены заливкой. Из рисунка 1 следует, что твердости горных пород соответствуют 4- и 6-лопастные долота, а абразивности - 6-лопастные. В таблице 2 приведена случайная выборка данных об отработке 4- и 6-ло-пастных долот на Приобском месторождении.

Из таблицы 2 видно, что 4-лопастные имели более высокие показатели работы, чем 6-лопастные. Статистическая значимость различия оценена методом сравнения средних с использованием средства пакета анализа MS Excel «Двухвыборочный t-тест с различными дисперсиями». Результаты сравнения приведены в таблице 3. Из таблицы 3 видно, что проходки на 4- и 6- лопастные долота различаются статистически незначимо, т.к. t12 < t , а механическая скорость бурения

4-лопастными долотами статистически значимо превосходят механическую скорость 6-лопастными долотами. Это подтверждает положение, что при наличии двух альтернативных долот предпочтение следует отдать долоту для горных пород с меньшей твердостью. Более низкая стойкость 4-лопастных долот к абразивному изнашиванию по сравнению с 6-лопастными долотами была скомпенсирована применением долот с опциями «УЕ» [1]. В заключение следует отметить, что для основных литологических разностей выделяемых стратиграфических подразделений выбор долот будет более точным, если твердость и абразивность горных пород в рассматриваемом интервале будут определены, а их статистические характеристики будут рассмотрены как средневзвешенные величины с учетом толщин этих разностей. Например, для Приобского месторождения это будет расчет для аргиллитов, алевролитов и песчаников.

ВЫВОД

Предложены и обоснованы номограммы для выбора долот РОС для интервала бурения по статистическим данным о твердости и абразивности горных пород, выраженных в категориях.

I

Литература:

1. Породоразрушающий инструмент PDC: каталог НПП «Буринтех». - Оренбург: Изд-во НПП «Буринтех», 2010. - 52 с.

2. Попов А.Н., Спивак А.И., Акбулатов Т.О. и др. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учебник для вузов / Под общ. ред. А.И. Спивака и Л.А. Алексеева. - 3-е изд. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. - 508 с.

3. Ганджумян Р.А. Математическая статистика в разведочном бурении: Справочное пособие. - М.: Недра, 1990. - 218 с.

4. Ашмарин И.П., Васильев Н.Н., Абросов В.А. Быстрые методы статистической обработки и планирования экспериментов. - Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1975. - 78 с.

5. Абатуров В.Г., Овчинников В.П. Физико-механические свойства горных пород и породоразрушающий инструмент: Учебное пособие для вузов. -Тюмень: Изд-во «Экспресс», 2008. - 240 с.

References:

1. Porodorazrushajushhij instrument PDC: katalog NPP «Burinteh» [Rock cutting tool PDC: catalogue of Burintekh Scientific and Production Enterprise]. Orenburg: Publishing house of Burintekh Scientific and Production Enterprise, 2010. 52 pp.

2. Popov A.N., Spivak A.I., Akbulatov T.O. et al. Tehnologija burenija neftjanyh igazovyh skvazhin: Uchebnik dlja vuzov [Oil and gas well drilling technology: Text book for universities]. Under general editorship of A.I. Spivak and L.A. Alekseyev. 3rd ed. Moscow, Nedra-Business Center LLC, 2007. 508 pp.

3. Gandzhumyan R.A. Matematicheskaja statistika v razvedochnom burenii: Spravochnoe posobie [Mathematical statistics in test boring: Reference Book]. Moscow, Nedra Publ., 1990. 218 pp.

4. Ashmarin I.P., Vasilyev N.N., Abrosov V.A. Bystrye metody statisticheskoj obrabotki i planirovanija jeksperimentov [Rapid methods of statistical processing and planning of experiments]. Leningrad, Publishing house of Leningrad University, 1975. 78 pp.

5. Abaturov V.G., Ovchinnikov V.P. Fiziko-mehanicheskie svojstva gornyh porod i porodorazrushajushhij instrument: Uchebnoe posobie dlja vuzov [Physical and mechanical properties of rocks and rock cutting tool: Textbook for universities]. Tyumen, Publishing house «Express», 2008. 240 pp.

38

№ 6 июнь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ