Ударные и вибрационные нагрузки. Что мешает эффективному бурению

1. Ударные и вибрационные нагрузки

Что мешает эффективному бурению
Schlumberger Private
Ударные и вибрационные
нагрузки

2. Скрытые затраты по причине плохой механики бурения

Слом муфты
Промыв
Отворот
Отказ яса
Без мониторинга
механики бурения
26 долблений
С мониторингом
механики бурения
16 долблений
Сутки
Reference: SPE/IADC Conference 1996, Mason et al. paper #35034
2 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Глубина, тыс.футов
Слом нипеля

3. Эффект ударов и вибраций = Увеличение затрат = Снижение качества услуг

Schlumberger Private
3 Initials
10/19/2019

4. Не бывает хороших ударных нагрузок!

4 Initials
10/19/2019
Энергия
буровой
Проходка
Энергия
буровой
Проходка
Удары
Удары
Schlumberger Private
Вращательные удары способны
перенагрузить резьбовые соединения
Осевые удары могут перемещать
нейтральную точку через резьбовые
соединения
Повышенные удары = Сниженная проходка
= Повышенное значение удельной энергии
бурения (MSE) буровой системы
Снижение ударных нагрузок = Снижение
стоимости метра проходки
Снижение усталостных нагрузок бурильной
колонны
Уменьшение времени проработок
Увеличение проходки

5. 6 типов динамического движения

Скачки долота
Прерывистое
вращение
Быстро
Вращательное
Вращательные удары
5 Initials
10/19/2019
Обратно
или
Вперед
Schlumberger Private
Осевое
Медленно
Изгиб
Завихрение
КНБК
Поперечное Эксцентричное
Завихрение долота

6. Скачки долота – Осевые вибрации

Резонансное осевое колебание КНБК
6 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Эффект:
– Слом долота, повреждение забойного
оборудования, сниженная скорость проходки
Типичные условия возникновения:
– Вертикальность ствола и твердые породы,
происходит почти исключительно с
шарошечными долотами
Зависит от:
– Угла ствола, веса, длины и жесткости КНБК,
частоты вращения, твердости породы, веса на
долоте
Возникает:
– Чаще с шарошечными долотами, долотами
для мягких пород в твердых породах

7. Нейтральная точка в КНБК

Сжатие
Растяжение
Осевое движение
приводит к смещению
нейтральной точки,
а также к циклическому
растяжению и сжатию.
(Нагрузка на долото,
измеренная на забое)
7 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Зона большей
части отказов
Нейтральная точка

8. Меры по снижению осевой вибрации

Выявление:
-Тряска верхнего привода
-Тряска метвого конца
-Скачки квадрата
-Забойные ударные нагрузки
Меры по смягчению:
-Изменить вес на долоте и частоту вращения
-Смена долота на тип PDC, если возможно
-Спуск амортизационного переводника
(понижает резонансную частоту)
-Примечание – Не используйте амортизационный
переводник с долотами PDC
-ОСТАНОВКА БУРЕНИЯ – Поможет рассеиванию
энергии
8 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
-Утроение (3 x частоту вращения ротора)

9. Слом вставок от колебания веса на долоте

3.5 Гц / 15-70 тыс.фунтов – 70
об/мин
80
Вес на долоте –
тыс.фунтов
80
70
60
50
40
30
20
0
6
7
0
4
8
9
WOB
10
2
сек
4.7 Гц / 0-110 тыс.фунтов – 94 об/мин
140
Вес на долоте –
тыс.фунтов
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
11
0
4
12
13
WOB
сек
9 Initials
10/19/2019
Click Here
2
14
Schlumberger Private
10
0

10. Вращательные колебания – прерывистое вращение (Stick Slip)

Переменное ускорение и торможение вращения КНБК
(В экстремальных случаях, КНБК может останосится и даже на
короткое время изменить направление своего вращения на
обратное)
Преждевременный износ долота (вставки или подшипники),
усталость или перезатягивание резьбовых соединений, плохое
качество ствола скважины, потенциальное снижение скорости
проходки
Типичная условия возникновения:
Большое трение КНБК и стенки скважины, большой вес на
долоте, более свойственно агрессивным долотам PDC bits,
плохая очистка ствола скважины
Зависит от:
10 Initials
Стабилизации
долота, частоты вращения, веса на долоте,
10/19/2019
смазочной способности бурового раствора, типа долота
Schlumberger Private
Эффект:
Медленно
Быстро

11. Прерывистое вращение (Stick Slip)

Вызвано суммированием момента вращения долота, КНБК, СБТ
из-за боковой силы и CP
Момент на стабилизаторе
Вес на долоте
Вес на долоте
Частота вращения
Прямая лопасть?
Снижение веса на долоте уменьшает момент
уменьшает бок.силы
Увеличение частоты вращения снижает коэффициент трения
и увеличивает инерцию
11 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Момент на
долоте

12. Механизм прерывистого вращения

Режущие силы обуславливают реактивный
момент, противоположный вращению долота
Реактивный момент
Режущие силы
12 Initials
10/19/2019
Вращение долота
Schlumberger Private
Реактивный
момент
“взводит
пружину”
бурильной
колонны
Импульсы момента
отражаются обратно
вниз по бурильной
колонне. Колебания
момента и
собственные
резонансные
частоты бурильной
колонны сочетаются,
образуя
резонирующие
импульсы моментa и
частоты вращения
бурильной колонны.
Верхний привод
может количественно
влиять на это
отражение.

13. Выявление и устранение прерывистого вращения

Выявление и устранение прерывистого
Выявление:
В процессе бурения
вращения
-Большие и беспорядочные колебания момента
на роторе
-Большие и беспорядочные изменения частоты
вращения на роторе и забое
-Характерный звук от верхнего привода
-Измерение Stick Slip от MWD
-Потеря угла отклонителя и контроля
направленности бурения
-Отворот резьбовых соединений
Выявление: после долбления
-Анализ состояния долота
-1-7, 2-8 чрезмерный внешний износ
13 Initials
10/19/2019
Меры:
-Снижение нагрузки на долото
-Увеличение частоты вращения
-Отслоение после перегрева (HC)
-Добавление смазки в раствор
(только наклонно-направленные скажины)
-Сколы на зубцах / резцах (CT)
-Использование роликовых расширителей
-Сломанные зубцы / резцы (BT)
-Переход на повышенную передачу верхнего
привода
-Износ направляющих / опор (RO)
-Запуск системы оповещения об изменении
момента
Schlumberger Private
-Подклинивание КНБК, стола ротора

14.

Состояние шарошечного долота
после прерывистого вращения
Schlumberger Private
Click Here
14 Initials
10/19/2019

15.

Состояние долота PDC после
прерывистого вращения
Schlumberger Private
Растрескивание
после перегрева
15 Initials
10/19/2019
Click Here

16.

Состояние долота PDC после
прерывистого вращения
Schlumberger Private
Повреждение
16 Initials
10/19/2019

17. Вращательные ударные нагрузки

Мгновенный испульс в момент касания свободно
вращающейся колонны стенки скважины, при
этом происходит сопротивление вращению.
Schlumberger Private
Эффект:
Перезатягивание резьбовых соединений,
повреждение муфт/ниппелей, а также
компонентов КНБК
Типичные условия возникновения:
Скважины с малым зенитным углом, высокая
частота вращения и размытые стволы (каверны)
Зависит от:
Стабилизация КНБК, смазывающая способность
раствора ( ), зенитный угол ствола, диаметр
17 Initials
ствола,
нагрузка на долото и частота вращения
10/19/2019
Деформация
муфты

18. Боковые (поперечные) удары

Хаотическое поперечное движение КНБК от
одной стороны ствола скважины к другой.
Эффект:
Типичные условия возникновения:
Скважины с низким зенитным углом,
размытый ствол скважины,
нестабилизированне секции КНБК
(маятниковые компоновки)
Зависит от:
Стабилизация КНБК, частота вращения,
нагрузка на долото, диаметр ствола
скважины
18 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Сильное повреждение компонентов КНБК

19. Завихрение КНБК

Эксцентрическое вращение КНБК
Это движение может совпадать по
направлению с вращением труб, быть ему
противоположным или хаотическим
Сильное повреждение бурильной колонны и долота,
односторонний износ на резьбовых соединениях и
усталость резьбовых соединений
Типичные условия возниковновения:
Скважины с низкий зенитным углом, размытые стволы,
незастабилизированные секции КНБК, а также
маятниковые компоновки
Зависит от:
Нагрузка на долото, смазочные свойства раствора,
19
Initials
стабилизация
КНБК и частота вращения
10/19/2019
Schlumberger Private
Эффект:

20. Завихрения

Прямое
20 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Обратное

21. Завихрения

Прямое
Изношенные лопасти
Schlumberger Private
21 Initials
10/19/2019

22. Возникновение обратного завихрения

Бурильная колонна
сталкивается со стенкой
скважины
Возникающее при этом
движение – ответ на
быстрое ускорение по
причине неэластичного
столкновения со стенкой
скважины и касательное
ускорение по причине
сил трения.
Schlumberger Private
22 Initials
10/19/2019

23. Выявление и устранение завихрения КНБК

Выявление:
-Сильные удары на забое
-Вибрация на поверхности (момент и вес на крюке)
-Повышенный момент на поверхности
-Уплощение резьбовых соединений вследствие усталости
-Остановиться, оторваться от забоя и рассеять энергию
-Изменить частоту вращения. Увеличить нагрузку на долото
Меры борьбы с обратным завихрением :
-Остановиться, оторваться от забоя и рассеять энергию
-Изменить частоту вращения.
-Уменьшить нагрузку на долото
-Увеличить содержание смазки в растворе
-Увеличить расход жидкости
-Использование забойных двигателей и вращающихся
стабилизаторов
23 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Меры борьбы с прямым завихрением:

24. Состояние долота PDC после обратного завихрения

Schlumberger Private
24 Initials
10/19/2019

25. Завихрение долота

Эксцентричное вращение долота
относительно точки, не являющейся
геометрическим центром долота
Траектория центра долота
Низкая проходка и преждевременный износ долота
(по диаметру или out of round)
Типичные условия возникновения:
Долото PDC с агрессивными боковыми резцами,
перемежение мягких и твердых пород
Зависит от:
Завихрения КНБК, плохого наворота долота и
изменения
твердости породы
25 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Эффект:

26. Меры борьбы с завихрением долота

Выявление:
Ударные нагрузки на забое
Увеличенный диаметр ствола и уменьшенный
диаметр долота
Траектория центра долота
Меры борьбы:
ОСТАНОВИТЬ БУРЕНИЕ, оторваться от забоя и
снова прийти на забой
1. Вращение с частотой ½ от нужной частоты
вращения
2. Промывка (Wash Fill)
3. Медленно наращивать нагрузку на долото до
желаемой величины
4. Увеличить частоту вращения до нужной
величины
26 Initials
10/19/2019
Долота с антивихревыми свойствами (дизайн
долота - рулевое колесо)
Schlumberger Private

27. Механизм завихрения долота

Трение относительно стенки скважины смещает центр
вращения долота в сторону калибрующей части лопасти
Schlumberger Private
27 Initials
10/19/2019

28. След завихрения

Schlumberger Private
Нормальное бурение
28 Initials
10/19/2019
Завихрение долота

29. Состояние долота PDC после завихрения долота

Schlumberger Private
29 Initials
10/19/2019

30. Итоги по завихрению долота

Завихрение долота – это периодическое явление высокой
частоты
Следует обратить внимание на следующую информацию
- Ударные нагрузки на забое
- Диаметр долота
- Анализ состояния долота
(повреждения на тыльной стороне лопасти)
- Параметры бурения
(нагрузка на долото и частота вращения)
Завихрение долота можно уменьшить изменением этих
параметров
Initials
30
Остановка бурения для рассеивания энергии вихря
10/19/2019
Schlumberger Private
- Диаметр ствола (каверномер)

31. Большой зенитный угол снижает ударные нагрузки

Большие боковые силы гравитации
31 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Снижает движение колонны и завихрение
Увеличивает ослабляющий
эффект осевого трения
Снижает осевые вибрации
... но увеличивает вероятность
прерывистого вращения

32. Сводная информация о выявлении и методах борьбы

Schlumberger Private
32 Initials
10/19/2019

33. Интерпретация данных модульного вибрационного шасси (MVC)

Schlumberger Private
* Применение повышенной передачи верхнего привода или системы компенсации момента проявило себя в
качестве средства как уменьшающего, так и усугубляющего явление прерывистого вращения.
33 Initials
10/19/2019

34.

Вибрации – распознавание симптомов
Наблюдение в процесе бурения
Проблемы с направленным бурением, снижение скорости проходки, колебания момента
вращения/частоты вращения/нагрузки на долото, подклинка забойного двигателя,
увеличение уровня забойных ударных нагрузок
Изучение после долбления
Поврежденная структура вооружения долота, ускоренный износ подшипников, увеличение
диаметра ствола, повреждение резьбовых соединений, перезатянутые резьбовые
соединения
Тряска буровой/верхнего
привода
Преждевременный износ
подшипника
Сломанные/треснутые резцы и
вставки
Увеличение средней
величины момента на устье
Потеря угла отклонителя
Резцы/Вставки повреждены на
опоре или диаметре
Резцы/Вставки обычно
поврежденные на
фронтальной и конусной части
Сломанные лопасти PDC
Изношенные гибриды с
минимал. износом резцов
Подклинивание привода на
устье
Снижение скорости проходки
Увеличение дифференц.
момента на устье
Цикличность частоты
вращения/момента вращения
Увеличение средней
величины забойного момента
Потеря данных реального
времени/измерений
Перезатянутые резьбовые
соединения
Забойные удары высокой
частоты 10-50 Гц
Увеличение дифференц.
момента на забое
Отвороты и промывы
Увеличение риска –
интенсивности ударов
Увеличение VIBLAT –
боковые удары
Увеличение VIBX осевых вибраций
Увеличенный диаметр
скважины (каверномер)
Отказ MWD
Односторонний износ на
стабилизаторах и КНБК
Увеличение VIBTOR –
вращательное ускорение
Осевая вибрация
(скачки)
Schlumberger Private
Большие колебания нагрузки
на долото
Увеличение Stick_RT –
индикатор прерыв. вращения
Боковая вибрация
(завихрение долота/КНБК)
Забойная частота вращ-я >
устьевой скорости вращения
Вращательная вибрация
(прерывистое вращение)

35. Ударные нагрузки и вибрации

Предотвращение и смягчение
Бдительность
Schlumberger Private
– Конструкция долота/КНБК
– Специальные устройства для
борьбы с ударами и
вибрациями
(амортизационные
переводники, роликовые
расширители и пр.)
– Выявление ударных нагрузок
(MVC, Shock_I, Stck-Slp)
Нагрузка на долото
Прерыв.
вращение
Обратное
завихрение
Стабильное
бурение
Прямое
завихрение
Частота вращения
35 Initials
10/19/2019

36. Вопросы, комментарии.....................

36 Initials
10/19/2019
Schlumberger Private
Вопросы, комментарии.....................