Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор исследований в области регулирования триботехнических свойств буровых промывочных жидкостей 11
1.1. Особенности условий работы бурильного инструмента на современном этапе технологии бурения 11
1.2. Характерные особенности изнашивания бурильного инструмента 14
1.3. Средства улучшения износостойкости бурильного инструмента и методы оценки его абразивного изнашивания 17
1.4. Влияние среды на процесс изнашивания бурильного инструмента 28
1.5. Выводы к главе 1 35
Глава 2. Обоснование выбора методов исследований 37
2.1. Выбор методов исследований 37
2.2. Методика изучения антифрикционных и противоизносных свойств буровых промывочных жидкостей 38
2.2.1. Совершенствование методики изучения триботехнических свойств промывочных жидкостей пары трения «металл–горная порода» 39
2.2.2. Обоснование выбора режимов работы пары трения 40
2.2.3. Моделирование трения и абразивного изнашивания применительно к бурильному инструменту 41
2.2.4 Описание модифицированной установки АИ-3М 44
2.2.5. Обоснование выбора образцов металла и горных пород. 47
2.2.6 Методика проведения экспериментов на установке АИ-3М 54
2.3. Методика изучения антикоррозионных свойств буровых промывочных жидкостей 62
2.4. Методика изучения коркообразующих свойств буровых промывочных жидкостей 66
2.5. Выводы к главе 2 67
Глава 3. Разработка добавок комплексного действия для улучшения триботехнических и антикоррозионных свойств буровых промывочных жидкостей 69
3.1. Обоснование выбора базовых рецептур буровых промывочных жидкостей и смазочных добавок 70
3.1.1. Обоснование выбора применяемых в бурении реагентов и смазочных добавок в качестве базовых объектов сравнения 71
3.1.2. Влияние полимерных добавок различной природы на противоизносные и антифрикционные свойства буровых промывочных жидкостей 77
3.2. Теоретические предпосылки и обоснование выбора состава добавок комплексного действия 79
3.3. Экспериментальное изучение влияния различных добавок комплексного действия на триботехнические и антикоррозионные свойства буровых промывочных жидкостей 87
3.4. Экспериментальные исследования с целью определения оптимального соотношения ингредиентов реагента БКР-5М 97
3.5. Влияние базовых добавок и реагента БКР-5М на триботехнические свойства промывочных жидкостей в широком диапазоне работы бурильного инструмента 102
3.5.1. Исследование триботехнических свойств различных промывочных жидкостей применительно к замкам стальных бурильных труб 105
3.5.2. Исследование триботехнических свойств различных промывочных жидкостей применительно к легкосплавным бурильным трубам 114
3.5.3. Исследование триботехнических свойств различных промывочных жидкостей применительно к породоразрушающему инструменту 120
3.6. Выводы к главе 3 125
Глава 4. Опытно-промысловые испытания реагента комплексного действия БКР-5М 128
4.1. Методика проведения опытно-промысловых испытаний 128
4.2 Результаты опытно-промысловых испытаний 129
4.2 Выводы к главе 4 132
Основные выводы и результаты 133
Список литературы 135
- Средства улучшения износостойкости бурильного инструмента и методы оценки его абразивного изнашивания
- Совершенствование методики изучения триботехнических свойств промывочных жидкостей пары трения «металл–горная порода»
- Обоснование выбора применяемых в бурении реагентов и смазочных добавок в качестве базовых объектов сравнения
- Результаты опытно-промысловых испытаний
Средства улучшения износостойкости бурильного инструмента и методы оценки его абразивного изнашивания
В процессе механического бурения скважины бурильный инструмент находится в контакте с горными породами и, как следствие, постепенно изнашивается. Конфигурация современных сложнопрофильных скважин во многом способствует изнашиванию БИ, преимущественно вследствие абразивно-коррозионного изнашивания, которое в ряде случаев может сопровождаться усталостным разрушением [10]. Поверхностное изнашивание, возникающее в результате трения инструмента о горные породы, называют абразивным [83, 97]. До сих пор нет достаточно строгой терминологии, связанной с изнашиванием тврдых тел, и под абразивным изнашиванием понимается такое разрушение, которое является следствием микрорезания или царапания. В процессе абразивного изнашивания БИ постепенно изменяются его формы и размеры. Это происходит в результате съма металла с поверхности изнашивания при взаимодействии с тврдыми абразивными частицами горной породы [20].
Бурильные трубы, замки бурильных труб и породоразрушающий инструмент являются типичными элементами БИ, работающими в условиях сложного комплексного воздействия высоких статических и динамических нагрузок в присутствии абразива и промывочного агента при высоком давлении. Сложное силовое воздействие на бурильную колонну, связанное с большими осевыми нагрузками и крутящим моментом, приводит к тому, что в конечном итоге, в результате упругой деформации, колонна приобретает сложную форму, напоминающую вид винтовой линии [49, 104, 83]. При такой форме неизбежно возникновение радиальных нагрузок, действующих на колонну со стороны стенки скважины, и взаимодействие колонны бурильных труб со стенкой скважины в результате трения скольжения. В таких условиях работы происходит прерывистый, а иногда и непрерывный контакт бурильных труб со стенкой скважины. При этом энергетика трения в условиях пространственного спирального изгиба бурильной колонны определяет интенсивность е изнашивания. Трение скольжения прижатой части колонны к стенке скважины сопровождается высокими удельными давлениями в зоне контакта и является основной схемой силового воздействия при изнашивании взаимодействующих пар трения. При трении бурильной колонны о стенки скважины в местах контакта замка или тела трубы с породой проявляется абразивный износ, вызванный действием частиц монолитного абразива, стенки скважины и частиц, движущихся в затрубном пространстве вместе с промывочной жидкостью. Особенно интенсивно этот процесс происходит в зонах, прилегающих к замковому соединению и утолщенным концам бурильных труб, что объясняется турбулизацией потока промывочной жидкости. При СПО, особенно в скважинах сложного профиля, колонна (замок БТ, тело трубы) взаимодействует со стенкой скважины и вследствие этого также изнашивается. В открытом стволе скважины интенсивность изнашивания кратно выше, чем в обсадной колонне [88, 60]. При высокой и средней абразивности слагающих стенки скважины горных пород заметным становится износ не только соединительных замков БТ, но и наружной поверхности бурильных труб.
Согласно исследованиям, проведенным специалистами компаний ООО «ПромТехСервис» и ОАО «Татнефть», от 42% до 58% бурильных труб отбраковываются по причине износа наружного диаметра замка (рисунок 1.2), при этом тело трубы соответствует допустимым нормам [23].
Анализ энергетической загрузки пар трения БИ показывает [48, 28, 91], что в наиболее тяжелых условиях работают элементы вооружения породоразрушающего инструмента. Это объясняется тем, что высокая энергоемкость процесса разрушения горных пород требует подведения к рабочей поверхности вооружения долота значительной мощности. Основной объем проходки при бурении нефтяных и газовых скважин в настоящее время приходится на долота PDC и шарошечные долота. Кинематические особенности работы последних обуславливают реализацию подводимой энергии в основном по схемам циклического удара и циклического проскальзывания. При этом износ вооружения долота при проскальзывании является абразивным и в большинстве случаев определяет долговечность вооружения. Основной причиной износа и разрушения вооружения долот большинство исследователей считают именно абразивный износ, а также скалывание, выкрашивание, поломки и смятия под действием циклических ударных нагрузок и проскальзывания [46, 47]. При этом на интенсивность изнашивания значительное влияние оказывает температура рабочей металлической поверхности трения бурильного инструмента.
Таким образом, низкая долговечность БИ приводит к тому, что из общего баланса времени, затрачиваемого на бурение одной скважины, часть расходуется на СПО, связанные с заменой изношенного инструмента. Исследованию причин, характера и форм износа элементов БИ уделяется большое внимание, поскольку без знания последних невозможен успешный поиск путей повышения долговечности и работоспособности бурильного инструмента. Не меньший интерес вызывают вопросы, связанные с влиянием режимов работы и промывочной жидкости на процесс изнашивания бурильного инструмента.
Совершенствование методики изучения триботехнических свойств промывочных жидкостей пары трения «металл–горная порода»
В процессе бурения БИ всегда находится во взаимодействии со стенками ствола скважины в среде промывочной жидкости. БПЖ является одним из взаимодействующих тел при разбуривании горных пород и оказывает непосредственное влияние на процессы изнашивания БИ и разрушения горных пород. Поэтому при решении задач повышения долговечности бурильного инструмента, его производительности состав и свойства среды играют важнейшую роль. В настоящее время разработано и запатентовано значительное количество рецептур буровых растворов и технологических жидкостей для бурения и заканчивания скважин для различных геолого технических условий. Большую популярность в отрасли приобрели полисахаридные промывочные жидкости на водной основе, в которых в качестве псевдопластиков и структурообразователей применяются биополимеры [102, 101, 31, 117, 118].
К настоящему времени имеется обширный экспериментальный и промысловый материал по изучению влияния среды на изнашивание БИ, в том числе долотных сталей и тврдых сплавов. Вместе с тем значительный интерес, как отмечалось ранее, представляют выполненные исследования по изучению различных реагентов комплексного действия и смазочных добавок на процесс абразивного изнашивания БИ. В буровой технологии используется достаточно широкий их ассортимент как отечественного, так и зарубежного производства. Приведенные в литературе характеристики целевых свойств смазочных добавок, как правило, получены на различных устройствах и приборах, что затрудняет единую оценку их качества.
Современный уровень развития нефтедобывающей отрасли предъявляет повышенные требования к смазочным добавкам для БПЖ [98, 83, 89]. Они должны эффективно работать в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся высокими температурой и давлением, полиминеральной и сероводородной агрессиями. Основными требованиями, предъявляемыми к СД, помимо целевых (повышение смазочных, противоизносных и противоприхватных свойств БПЖ, особенно в условиях высоких контактных давлений), в современной буровой технологии являются: – способность улучшать ингибирующие (антикоррозионные), гидрофобизирующие и поверхностно-активные свойства БПЖ; – хорошая совместимость со всеми реагентами, применяемыми для обработки буровых растворов, и способность к снижению показателя фильтрации буровой промывочной жидкости, не вызывая вспенивания БПЖ; – экологическая безопасность и технологичность в применении [34].
Вопросам защиты от коррозии уделяется большое внимание, так как БПЖ на водной основе по природе своей являются коррозионно-активными. Также в последние годы отмечается усиление сероводородной коррозии БИ, что связано с добычей сернистых нефтей. Сероводород обладает повышенными агрессивными свойствами и способствует разрушению металллических поверхностей в результате электрохимической, химической коррозии и водородного охрупчивания. Все это приводит к расходам, обусловленным потерей эксплуатационных свойств металла, мощности оборудования, его вынужденными простоями из-за аварий, а также расходами на ликвидацию последствий аварий. Наиболее дешевый, а потому широко используемый метод защиты металлов от коррозии – применение ингибиторов [75, 94, 99]. Немаловажное значение имеют исследования влияния ингибиторов на триботехнические свойства БПЖ. Наличие высоких корреляционных взаимосвязей между триботехническими и антикоррозионными свойствами БПЖ подтверждается в работах многих исследователей [103, 13, 30, 35, 48, 47, 21]. В них показано, что высокие коррозионные свойства БПЖ усиливают абразивный, усталостный, тепловой виды изнашивания бурильного инструмента, в том числе опор и вооружения породоразрушающего инструмента. Также значительна роль коррозионной агрессивности БПЖ в осложнениях и авариях, происходящих при бурении скважин [29, 90]. К сожалению, в настоящее время не все СД и реагенты равно обладают высокими показателями как триботехнических, так и антикоррозионных свойств БПЖ, и их улучшение, по нашему мнению, могло бы значительно снизить расходы на строительство скважины и ликвидацию последствий коррозии путем применения одной эффективной добавки комплексного действия.
Проведнные исследования отечественных и зарубежных учных Л.А. Шрейнера, Э.Г. Кистера, П.А. Ребиндера, Е.Ф. Эпштейна, В.Б. Гарди, Г.И. Фукса, Г.В. Конесева, А.И. Спивака, А.Н. Попова, М.Р. Мавлютова, P.A. Мулюкова, Г.В. Виноградова, С.Н. Бастрикова, Л.П. Вахрушева, Т.Д. Дихтярь, Р.Н. Загидуллина, B.C. Любимова, Т.А. Мотылевой, А.И. Острягина, Б.В. Дерягина, А.С. Рекина, И.А. Четвертневой, С.В. Стадухина, О.Г. Мамаевой и др. внесли значительный вклад в установление характера и механизма влияния среды на изнашивание взаимодействующих тел.
Одной из первых смазочных добавок к БПЖ являлась нефть и нефтепродукты. На первый взгляд, применение нефти, содержащейся в эмульсии БПЖ, дает в целом положительные результаты, связанные с работой БИ в скважине: смачивает поверхность долот, бурильных труб и тем самым снижает тенденцию забивания шламом вооружения долота, а также возможность прихвата бурильного инструмента – способствует повышению гидравлической мощности, подводимой к забою, уменьшению сил трения между металлической поверхностью и глинистой коркой [48, 41, 109]. Однако на фоне преимуществ, существующих современных смазочных добавок, нефть во многом проигрывает как смазка. Недостатками использования нефти в качестве смазочной добавки являются – нетехнологичность, токсичность, пожароопасность, загрязнение окружающей среды, ускорение износа резиновых деталей и узлов трения буровых насосов и забойных двигателей, искажение результатов геофизических исследований. Также в работе [40] отмечается, что добавка к глинистому раствору нефти даже в количестве 10% недостаточно эффективна, так как в условиях высоких контактных напряжений между БИ и стенкой скважины нефть не создает на стальных поверхностях достаточно прочной хемосорбционной пленки. Кроме того, применение нефти приводит к безвозвратной потере ценного сырья.
Активная разработка и внедрение смазочных добавок была начата уже давно [49]. В основном смазочные добавки создавались для глинистого раствора, так как основной объем бурения проходил именно на нем. Широкое применение в качестве смазочных добавок нашли добавки СМАД–1 (окисленный петролатум в смеси с дизельным топливом), разработанный во ВНИИБТ, и гудрон соапстока (СГ), разработанный УкрНИИПНД [1]. Использование смазочной добавки СМАД–1 позволило на 25–40%, по данным А.К. Самотоя, увеличить проходку на долото, повысить механическую скорость проходки, снизить прихватоопасность [92]. Общим недостатком этих смазок является низкая эффективность при повышенном содержании в БПЖ щелочи, что связано с коллоидным растворением СД и смыванием е с поверхности металла [40, 39].
Обоснование выбора применяемых в бурении реагентов и смазочных добавок в качестве базовых объектов сравнения
Из приведнных данных видно, что смазочные добавки показали примерно одинаковый результат, существенно не отличающийся от значений для базового раствора. Это позволяет сделать вывод о малоэффективности используемых в бурении СД и РКД применительно к процессам абразивного изнашивания замков СБТ.
С ростом интенсивности нагрузки скорость изнашивания стали увеличивается при промывке всеми видами БПЖ, при этом коэффициент трения достигает максимума, а затем снижается. Это может быть вызвано ростом температуры в зоне контакта пары трения «диск – горная порода» и пластифицированием поверхности металла. Коэффициент трения – одна из высокочувствительных характеристик процесса трения – тесно связан с состоянием фрикционного контакта и механизмом изнашивания материалов. В работах [46, 47, 97] при изучении абразивного изнашивания долотной стали о керны горных пород, авторами были сделаны выводы о существовании двух областей изнашивания: в первой области (для малой и средней энергетической загрузки) происходит изнашивание истиранием, во второй области (для высокой энергетической загрузки) – интенсивностью микровыколов частиц металла. При этом в первой области изнашивания проявляется преимущественно смазочная способность, а во второй – очень важное значение приобретает охлаждающая способность среды. Таким образом, в результате увеличения интенсивности нагрузки возможен разогрев поверхности диска до температур высокого отпуска, снижение микротвердости стали, что облегчает блокирование и пропахивание поверхности диска при проскальзывании и циклическом взаимодействии его с горной породой и приводит к снижению коэффициента трения [47]. В подобных условиях, очевидно, среда с лучшей охлаждающей способностью будет повышать износостойкость бурильного инструмента.
Аналогичные эксперименты с различными БПЖ были проведены для остальных, рассматриваемых в работе, элементов бурильного инструмента (ЛБТ, породоразрушающий инструмент). Их результаты приводятся в разделе 3.5.2 и 3.5.3. Установлено, что обработка БПЖ на водной основе базовыми добавками улучшает триботехнические свойства раствора в среднем на 6–10% для ПГР и 9–14% для ББР.
Исходя из всего проведенного комплекса исследований по выявлению наиболее эффективных реагентов комплексного действия и смазочных добавок, применяемых в настоящее время в практике бурения, можно сделать вывод, что наиболее эффективным, по показателям противоизносных и антифрикционных свойств БПЖ, является реагент БКР-5. Поэтому в последующих экспериментах он был использован в качестве базы сравнения. Состав и описание реагента БКР-5 приводятся в работе [44].
Задача улучшения свойств реагента БКР-5 осталась актуальной, так как указанный реагент и в целом большинство смазочных добавок малоэффективны в процессах снижения абразивного изнашивания и трения бурильного инструмента о стенки открытого ствола скважины. 3.1.2. Влияние полимерных добавок различной природы на противоизносные и антифрикционные свойства буровых промывочных жидкостей В настоящее время широкое применение в качестве основы для БПЖ на полимерной основе нашли такие реагенты полисахаридной природы как КМЦ и ПАЦ; реагенты биополимерной природы – ксантановая камедь (КК), гаммаксан; реагенты синтетической природы – полиакриламид (ПАА), декадрил и другие.
Изучение их влияния на противоизносные, антифрикционные и антикоррозионные свойства БПЖ проводились при одной и той же концентрации (0,4%) изучаемых полимеров путем их добавления в воду. Состав и параметры полученных растворов приведены в таблице
Скорость изнашивания стали равномерно увеличивается с возрастанием интенсивности нагрузки. Относительно высокие значения скорости изнашивания связаны с высокой абразивностью использованной в экспериментах горной породы. При этом величина износа для различных растворов практически одинакова (значения находятся в пределах одного доверительного интервала) и говорить об однозначном улучшении показателей при применении того или иного типа полимера нельзя. Вывод справедлив и для антикоррозионных свойств БПЖ: а именно показатели ЦВА и ГДВА различаются незначительно.
Таким образом, статистически значимых различий между изучаемыми триботехническими и антикоррозионными показателями различных растворов выявлено не было, применение полимеров различной природы в составе БПЖ не влияет на изучаемые показатели, их выбор обусловлен конкретными условиями бурения и целевым назначением.
Результаты опытно-промысловых испытаний
Для проведения опытно-промысловых испытаний изготовлена опытная партия реагента БКР-5М в соответствии с разработанным ТУ 2458-007-50780546-2014 (приложение 1) и составлена инструкция по его применению (приложение 3). Опытно-промысловые испытания были проведены на Арланском месторождении республики Башкортостан при бурении скважины № 2769 (приложение 2).
Буровой раствор был приготовлен по следующей рецептуре: техническая вода, кальцинированная сода – 1-2 кг/м3 , Filter Chek – 10-15 кг/м3 , Barazan - 3-4 кг/м3, PAC-L – 3-5 кг/м3, PAC-RE – 1-2 кг/м3, ИКБАК – 0,5 кг/м3, БКР-5М – 1%, СaCO3 – до необходимой плотности. Назначение реагентов, входящих в состав раствора: Filter Chek – регулятор фильтрации, представляет собой видоизмененный крахмал; Barazan – структурообразователь, порошковый биополимер; PAC-L и PAC-RE – регуляторы фильтрации, представляют собой модифицированный природный целлюлозный полимер; ИКБАК – бактерицид, является смесью органических веществ и катионных производных в водном растворе; СaCO3 (мел) – кольматант, утяжелитель; кальцинированная сода смягчает жесткость затворяющей воды, повышает уровень pH.
Порядок приготовления БПЖ: в блок приготовления раствора набирается техническая вода, через гидроворонку последовательно вводятся указанное количество кальцинированной соды, Filter Chek, Barazan, PAC. Интенсивность ввода 7–10 мешков в минуту необходимо контролировать концентрацию полимеров по величине условной вязкости. Затем вводится бактерицид и мел до необходимой плотности раствора. Реагент БКР-5М добавляется в готовый раствор, его концентрация должна быть не менее 1%.
Первоначальные общетехнологические параметры бурового раствора до обработки реагентом комплексного действия БКР-5М имели следующие значения: р=1,05 г/смЗ; УВ=49с; ПФ=3,5см3/30мин; К=0,5мм; Ктр=0,0699; СНС1/10=8/14 дПа; рН=9. После обработки реагентом комплексного действия БКР-5М: р=1,05 г/смЗ; УВ=49с; ПФ=3,5см3/30мин; К=0,5мм; Ктр=0,0524; СНС1/10=8/14 дПа; рН=9. Таким образом, отрицательного влияния на основные параметры бурового раствора, такие как показатель фильтрации и условная вязкость, выявлено не было. Также в процессе бурения производились контрольные замеры параметров бурового раствора, которые представлены в таблице 4.1.
В ходе опытно-промышленных испытаний сравнивались основные показатели отработки долот с полученными данными пробуренной соседней скважины № 2768 Арланского месторождения, литологический разрез, состав БПЖ и режим бурения которой схожи с параметрами скважины № 2769. Производительность ПРИ характеризуется длиной ствола скважины, пробуренного долотом до его полного износа (проходка на долото Н, м), а стойкость или долговечность ПРИ характеризуется временем механического бурения до полного износа долота Т, ч [97]. Показатели Н и Т первичные, по ним определяют другие, более сложные показатели. Отношение Н к Т получило название механической скорости проходки. В таблице 4.2 приведены исходные данные по скважинам для дальнейшей обработки.
С целью оценки влияния реагента БКР-5М на производительность породоразрушающего инструмента был проведен последовательный анализ данных отработки шарошечных долот 142,9R44AP по методу Вальда [18], результаты которого приведены в таблице 4.3. Бурение осуществлялось с помощью винтового забойного двигателя модели 5LZ120х7, средняя частота вращения долота составляла 180–190 об./мин, средняя нагрузка на долото – 180–200 кН, интервал бурения 2090–2360 м сложен преимущественно песчаниками и алевролитами.
Значимое улучшение показателей работы долот при обработке исходного раствора реагентом БКР-5М достигается по проходке на долото и стойкости соответственно после второго и третьего рейсов, а по механической скорости уже после первого рейса.
По карточкам отработки долот скважин №№ 2769 и 2768 для интервала бурения 2090–2360 метров была составлена сравнительная таблица усредненных показателей работы ПРИ.
Из данных таблицы 4.2 можно сделать вывод, что применение реагента БКР-5М позволило увеличить проходку на долото до 17%, при увеличении механической скорости бурения до 10% и увеличении стойкости до 7%. Механическая скорость возросла за счет увеличения фактической нагрузки на долото. Вероятно, это связано с уменьшением коэффициента трения бурильной колонны о стенки скважины и уменьшением зависания БИ.
Бурение скважины № 2769 Арланского месторождения на буровом растворе, содержащем реагент комплексного действия БКР-5М, позволило пройти интервал без осложнений, избежать затяжек и прихватов бурильного инструмента. Реагент БКР-5М технологичен в применении, по результатам опытно-промысловых испытаний рекомендован к дальнейшему применению на скважинах Арланского месторождения.