Капаев, Р. А. Требования к конструкции расширителей пилотной скважины для строительства подводных переходов

Требования к конструкции расширителей пилотной скважиныдля строительства подземных переходов

Рим Капаев, ПАО «Транснефть»

Зариф Шарафутдинов^, ООО «НИИ Транснефть»

Для бурения в большинстве грунтов, слагающих разрез подводных переходов, более всего подходит вооружение, предназначенное для прохождения мягких пород. Но конструкции применяемых расширителей и размещение вооружения не в полной мере соответствует условиям их применения в разрезах, сложенных твердыми глинистыми отложениями, особенно с прочным, высокоабразивным наполнителем. Для успешного строительства переходов магистральных трубопроводов методом наклонно-направленного бурения нужно совершенствовать конструкцию расширителя.

Успешное строительство переходов магистральных трубопроводов через естественные и искусственные преграды методом наклонно-направленного бурения зависит от эффективности работы бурового оборудования. Главная составляющая технологического процесса бурения – работа породоразрушающего инструмента. Это связано с тем, что чем быстрее будет построен ствол скважины, тем больше вероятность сохранения устойчивого состояния грунтов, слагающих стенки скважины. Увеличение сроков строительства скважины создает предпосылки для различных осложнений в процессе бурения.

То есть, правильный подбор породоразрушающего инструмента повышает эффективность буровых работ, уменьшает риски возникновения аварийных ситуаций и в конечном итоге приводит к финансовому успеху. Поэтому актуальная и важная задача для сооружения подводных переходов методом наклонно-направленного бурения - определить факторы, характеризующие вооружение и конструкцию расширителей, необходимые для строительства скважины в инженерно-литологических условиях, встречаемых в створе сооружаемого подводного перехода. Рассмотрим известные результаты строительства подводных переходов методом наклонно-направленного бурения и проанализируем их применительно к выработке требований к породоразрушающему инструменту.

Расширители пилотной скважины

При реализации метода наклонно-направленного бурения для расширения пилотной скважины применялись расширители режуще – скалывающего и дробяще – скалывающего типа. Опыт их применения показал следующее.

Породоразрушающий инструмент режуще-скалывающего действии (к нему относятся лопастные долота, долота PDC, а также расширители Fly Cutter и Barrel Reamer). Расширитель Fly Cutter при бурении образует крупный размер частиц шлама, поэтому он требователен к реализуемому объему промывки скважины и качеству буровых растворов. Если эти факторы не учитывались, формировались сальники на инструменте и возникали другие технологические осложнения, увеличивающие непроизводительное время бурения. Он не подходит при бурении в твердых глинах и при наличии в разрезе скважины гравийно-галечниковых отложений.

Более производительно применение расширителей Barrel Reamer. Бочкообразная форма, многоступенчатое расширение позволяют снизить требования к структурно-механическим свойствам используемых буровых растворов. Конструкция расширителя уменьшает динамические колебания инструмента, способствует дополнительному выносу шлама, а также снижает расход бурового раствора, задавая его расход только из условия работы гидромониторных насадок. Расширитель Barrel Reamer неэффективен при работе в высоко абразивных, крупноразмерных несцементированных грунтах, т.к. это ведет к износу его корпуса. Для повышения эффективности его можно дополнительно оснащать шарошечным вооружением. При работе в гравийно-галечниковых грунтах с содержанием песчаного заполнителя менее 40% он не способен упрочнять ствол скважины даже при повышении структурно-механических свойств бурового раствора. Это обусловлено конструктивными особенностями действия корпуса расширителя на забой скважины.

Породоразрушающий инструмент дробяще-скалывающего действия (Hole Opener). Конструкция расширителей зависит: от способа расширения пилотной скважины – одноэтапный или многоэтапный; требуемого диаметра скважины и др. Общим для них является оснащение конусными шарошками или лапами шарошечного долота. Шарошечные расширители используются для бурения в широком интервале прочности грунтов, поэтому механическая скорость бурения меняются в диапазоне от 0,5 до 4 м/ч.

Расширители Hole Opener, используемые для одноэтапного расширения имеют, как правило, щитовую конструкцию. Их недостатк – малое числом породоразрушающих элементов (шарошек), которые оставляют значительные пространства между своими рабочими элементами. При бурении в твердых глинах данное пространство забивается глинистым шламом, образуются сальники, препятствующие эффективной работе расширителя. Поэтому они требуют применения буровых растворов с высокими структурно-механическими свойствами и его повышенного расхода. Щитовые конструкции расширителей, несмотря на малые величины механической скорости, позволили успешно строить скважины и обеспечивать протаскивание трубопровода в несцементированных грунтах гравийно-галечникового состава, щебенистых грунтах.

Влияние инженерно-геологических условий на скорость строительства подводных переходов

Эффективность строительства скважин оценивается механической скоростью бурения. Она характеризует эффективность работы породоразрушающего инструмента и применяемой технологии бурения. Показателем, отражающим квалификацию специалистов бурового подрядчика, эффективность технологии бурения, является коммерческая скорость бурения. Она включает в себя не только затраты времени на бурение, но и время на ликвидацию технологических осложнений в процессе. Организационно-техническую эффективность процесса строительства скважин отражает цикловая скорость строительства. Она включает в себя все разновидности производительного и непроизводительного времени, использованного за весь цикл строительства перехода, начиная с монтажа буровой установки и кончая ее демонтажем и переездом.

Применение этих показателей для оценки эффективности строительства подводных переходов методом наклонно-направленного бурения несколько осложнено, т.к. при реализации метода наклонно-направленного бурения меняется диаметр прокладываемого трубопровода, применяемая технология расширения (одноэтапный или многоэтапный) и т.д.

Для анализа строительства 130 переходов, построенных методом наклонно-направленного бурения, был предложен показатель объемной скорости строительства. Это показатель, характеризующий объем грунта, проходимого в процессе строительства перехода. Данный показатель использовался нами исходя из того, что процесс расширения при строительстве переходов осуществлялся как по технологии одноэтапного расширения, так и по технологии многоэтапного расширения. Показатель объемной скорости строительства позволил нивелировать различия в технологиях расширения. Обобщенные показатели результатов строительства переходов сведены в таблице.

Результаты строительства переходов методом наклонно-направленного бурения в различных горно-геологических условиях

Категория сложности	Инженерно-геологические условия строительства	Объемная скорость строительства м3/ст.-мес
1 (очень легкая)	Торф и растительный слой; Пылеватый и мелкий песок; Супесь текучая, пластичная. Песок средней крупности, крупный; Супесь твердая; Суглинки (текучие, текучепластичные и др.). Гравелистый песок; Глина (текучая, текучепластичная и др.); Песчаные и глинистые грунты с примесью гравия, гальки до 25%; Гравийно-галечниковый грунт с песчаным (более 40%), глинистым (более 30%) заполнителем и мощностью по стволу скважины до 100м; Полускальные грунты (1 - 5МПа). Песчаные и глинистые грунты с примесью гравия, гальки до 50%; Гравийно-галечниковые грунты с песчаным (более 40%), глинистым (более 30%) заполнителем с мощностью по стволу скважины более 100м; Включения валунов (не более 400 мм) до 5% от общей массы грунта Малопрочные скальные грунты (5 -15МПа); Разновысотность входа и выхода бурового инструмента из скважины более 20м; Наличие карстовых полостей не более 2м. Гравийно-галечниковые грунты с песчаным (менее 40%), глинистым (менее 30%) заполнителем; Вкл. валунов (не более 400мм) до 20% от общей массы грунта; Скальные грунты средней прочности (15 - 50МПа); Наличие карстовых полостей более 2м; Чередование грунтов, отличающихся по сложности до 2 кат.	более 600
2 (легкая)		400-600
3 (средняя)		200-400
4 (сложная)		100-200
5 (очень сложная)		менее 100

Из этих данных можно оценить, что переходы, отнесенные к 1-2 категории сложности, не представляли особой сложности с точки зрения применения расширителей. Но, в то же время, незначительное увеличение физико-механических свойств грунтов приводит к двукратному и более снижению показателя объемной скорости строительства. Появление в объеме грунта абразивного, высокопрочного гравийного наполнителя способствует уже трех-четырехкратному падению скорости строительства. В переходах 3-5 категорий сложности существующие расширители были не эффективны. Подобная зависимость может говорить о том, что основная проблема в возможности реализации высоких скоростей строительства состоит в недостаточно эффективных применяемых технологиях бурения, а также низкой эффективности применяемых расширителей.

Оценим достаточность работы вооружения расширителей в построенных переходах. Для чего проанализируем выбор вооружения, необходимого для сооружения подводного перехода методом наклонно-направленного бурения.

Выбор типа вооружения расширителя

Работоспособность породоразрушающего инструмента определяется соответствия вооружения прочностным свойствам проходимых грунтов, их размещением на расширителе. Для оценки необходимого типа вооружения расширителя используем методику, разработанную А.Н. Поповым и Б.Н. Трушкиным. Ее суть заключается в следующем. Каждый тип вооружения для породоразрушающего инструмента имеет свою область рационального использования. Эти области выражаются через твердость горных пород, выраженной в категориях. Обработка зависимостей, предложенных А.Н. Поповым и Б.Н. Трушкиным и их сопоставление с показателями категорий приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Сопоставление физико-механических свойств грунтов и их категорий прочности для выбора типа вооружения породоразрушающего инструмента

Из обработки полученных данных следует вывод. Для всех основных типов грунтов, проходимых при строительстве переходов методом наклонно-направленного бурения, будет достаточно применения вооружения, необходимого для прохождения пород типа М (мягких). Основной проблемой в возможности повышения скорости расширения (бурения) является не тип используемого вооружения на породоразрушающем инструменте, а его конструкция и ее вооруженность применительно к диаметру скважины.

Рассмотрим, какие требования мы можем выработать к конструкциям расширителей и их вооруженности породоразрушающими элементами.

Конструктивные требования к вооружению на расширителях

Показателем, характеризующим эффективность работы породоразрушающего инструмента, является механическая скорость бурения:

(1)

Где N_D – мощность, реализуемая на породоразрушающем инструменте; A_V – удельная энергоемкость разрушения горной породы; F₃ – площадь забоя скважины. Следовательно, для повышения эффективности разрушения горной породы конструкция долота должна быть такой, чтобы при данной площади забоя и мощности на инструменте обеспечивалась наименьшая удельная энергоемкость разрушения горной породы. Фактором, отвечающим за разрушение горной породы, является количество элементов вооружения на инструменте, их расстановка по площади инструмента. Это отражается через перекрытие площади забоя разрушающими элементами, для их одновременной и эффективной работы. Поэтому большое значение для эффективного разрушения породы играет конструкция породоразрушающего инструмента. Определяющими в этом случае являются такие факторы, как количество разрушающих элементов и частота вращения инструмента на забое скважины, это отражается на времени контакта разрушающего элемента с забоем скважины (см рисунок 2).

Рисунок 2 Влияние диаметра расширителя на время активного контакта разрушающего элемента с породой

Величина времени активного контакта τ_С разрушающего элемента с горной породой составляет:

(2)

где m – число элементов, поражающих породу на инструменте; z – число поражающих секторов; е – число элементов, поражающих породу в одном секторе; n_Д – частота вращения породоразрушающего инструмента; D – диаметр породоразрушающего инструмента; d – размер поражающего сектора.

Так как горная порода обладает определенной прочностью, то увеличение времени контакта разрушающего элемента с породой приводит к возрастанию динамических нагрузок на породоразрушающий инструмент и его элементы. Значительные динамические нагрузки обуславливают интенсивный износ и разрушение рабочих элементов расширителей, а также способствуют усталостному разрушению бурильных труб. Оптимальная величина количества разрушающих элементов для расширителей может менять свою величину в зависимости от диаметра расширителя в диапазоне значений 20-50.

Таким образом, для успешного разрушения породы на забое и увеличения скоростей бурения необходимо увеличивать размер секторов, оснащенных разрушающими элементами и количество самих разрушающих элементов. В инженерно-практической деятельности это находит отражение, например, через увеличение размера шарошек на расширителе (фото 1) и их количества. Так, например, при увеличении диаметра расширителя требуется увеличивать и количество разрушающих элементов. Нарушение этих условий приведет к снижению скорости бурения, повышению вероятности возникновения технологических осложнений в процессе строительства переходов вплоть до создания аварийных ситуаций.

Фото1 Расширитель шарошечный, с увеличенным размером шарошек

Для передачи статических и динамических нагрузок требуется, чтобы породоразрушающий инструмент не только обладал необходимой прочностью, что обеспечивается выбором соответствующих конструкционных материалов, режимов их обработки, а также конструкцией расширителей. Конструкция расширителя должна обеспечивать минимизацию динамических нагрузок в процессе работы расширителя. Это требует управления геометрическими размерами расширителей, т.е. отношением длины расширителя к его диаметру.

Это особенно актуально для расширителей, необходимых для прохождения гравийно-галечниковых грунтов. Базовым основным требованием для прохождения гравийно-галечниковых отложений должна являться способность расширителя совместно с буровым раствором уплотнять грунт. Второе, общее для всех расширителей, положение: проходка на расширитель при заданной механической скорости пропорциональна его долговечности. Долговечность расширителей и их элементов зависит не только от совершенства конструкций, качества изготовления, но и работоспособности применяемых инструментальных материалов.

Выводы.

1. Конструкции расширителей, тип используемого вооружения определяют скорость строительства переходов методом наклонно-направленного бурения. Однако отсутствие методик по выбору вооружения, конструкций расширителей, их вооруженности для литологических условий, характерных для строительства переходов, в значительной степени снижает их эффективность, ограничивает применение метода наклонно-направленного бурения для сооружения подводных переходов. Незначительное увеличение физико-механических свойств грунтов приводит к значительному снижению показателя объемной скорости строительства. Появление в объеме монолитного грунта абразивного, высокопрочного наполнителя способствует уже трех-четырехкратному падению скорости строительства.
2. Анализ результатов по строительству переходов методом наклонно-направленного бурения показывает, что для основных типов грунтов, проходимых в разрезе формируемых скважин, достаточно применения расширителей с вооружением для мягких пород тип М (мягких). Поэтому резкое падение скорости строительства скважин обусловлено тем, что основной проблемой для реализации высоких скоростей строительства является конструкции применяемых расширителей и их вооруженность применительно к диаметру скважины.
3. Для эффективного строительства переходов в условиях 3-5 категории сложности методом наклонно-направленного бурения необходимо совершенствовать конструкции расширителей. В конструкции расширителей для успешного разрушения монолитных грунтов на забое необходимо увеличивать размер секторов, оснащенных разрушающими элементами и количество самих разрушающих элементов. Нарушение этих условий приводит к снижению скорости бурения, повышению вероятности возникновения технологических осложнений в процессе строительства переходов вплоть до создания аварийных ситуаций в процессе строительства переходов.
4. Для прохождения несцементированных грунтов гравийно-галечникового состава необходим буровой инструмент, способный уплотнять невыносимый грунт в процессе формирования скважины.

Использованная литература:

• Vafin D.R. Geomechanical modelling of construction conditions for trunk pipeline underwater crossings /D.R. Vafin, DA. Shatalov, Z.Z. Sharafutdinov //Pipeline Science and Technology, Vol. 1, № 1, June 2017, PP 65-79;
• Капаев Р.А., Формирование ствола скважины на границе инженерно-геологических элементов при строительстве трубопроводов методом ННБ // Экспозиция Нефть Газ. 2018. №1 (61). С.56-59.
• Лисин Ю.В., Сапсай А.Н., Шарафутдинов З.З.. Эффективность применения расширителей при строительстве подводных переходов методом наклонно-направленного бурения // Экспозиция Нефть Газ. 2017. №6 (59). С.32-36.
• Попов А.Н., Могучев А.И., Попов М.А., Согласование шкал твердости горных пород в категориях с показателями их механических свойств. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2/2009. С.18-23.
• Попов А.Н., Спивак А.И., Акбулатов Т.О., Мавлютов М.Р. и др. Технология бурения нефтяных и газовых скважин, М. Недра. 2003. 509 с.
• Попов А.Н., Трушкин Б.Н., .Разрушение горных пород при бурении скважин. Учебно-методическое пособие.
• Цытович Н.А. Механика грунтов – М.: Госстройиздат, 1963. – 636с.
• Шарафутдинов З.З. и др. Строительство переходов магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия /З.З. Шарафутдинов, Ю.И. Спектор, А.Б. Скрепнюк, В.И. Парижер, Д.Н. Сорокин – Новосибирск: Наука, 2013. - 339 с.

Источник Бестраншейные технологии. – 2019. - № 1 (1)