Ұңғыма түбіндегі бұрғылау қашауларының тұрақтылығын кеңейткіш-тұрақтандырғыштың жетілдірілген конструкциясын қолдана отырып зерттеу

Толық мәтін

Кіріспе

Бұрғылау жұмыстары геологиялық барлауда, мұнай және газды өндіруде маңызды үрдіс болып есептеледі. Қашау және тау жыныстары арасындағы, сонымен қатар, бұрғылау сұйығы мен бұрғылау колонналары арасындағы күрделі қатынастар нәтижесінде динамикалық жүйе өзгерістерге ұшырап, бұрғылау үрдісіне зиянын тигізеді. Бұрғылау үрдісіндегі динамикалық жүйелердің тұрақтылығын зерттеу үшін бұрғылау жүйесінің тиімді динамикалық моделін тұрғызу қажет болады [1].

Өндірістік жағдайларда жұмсақ және қатты қабаттар кезектесіп келетін әртекті тау жыныстарын бұрғылау көп жағдайда зиянды дірілге, толқуларға әкеледі. Бұрғылау құралдарының қатты дірілі кезінде ұңғымада қашаудың істен шығуы орын алуы мүмкін. Бұрғылау құралының осьтік және айналмалы тербелістері белгілі бір дәрежеде кездейсоқ сипатта болады, негізгі себеп ретінде қабат литологиясының әртүрлілігі, бұрғы қашауының тау жынысымен үйкелісі жатады [2].

Көп жағдайда, ғылыми жұмыстарда ғылымға белгісіз динамикалық жүйелерді математикалық модельдерді тұрғызу немесе теорияларды жасақтау арқылы емес, нақты жағдайларды зерттеу арқылы түсіндіруге тура келеді. Мұндай зерттеулер ұңғымаларды терең бұрғылау үрдісінде, нақты айтқанда, жыныс талқандаушы бұрғылау құралдарының жұмыс үрдісінде кездесетін құбылыстарды зерттеу кезінде жиі кездеседі. Нақты жағдайда бақыланатын ұңғыма түбіндегі бұрғы қашауларының радиалды ығысуы (тербелісі) және реттелген тербелісі және соның нәтижесіндегі ұңғымалардағы көпқырлы көлденең қималарының түзілуін ұзақ уақыт бойы классикалық изопараметрлік принцип тұрғысынан түсіндіру мүмкін болмады. Бұл құбылыс металлдарды бұрғылап тесу кезінде анық көрінетінін атап өтуге тиістіміз. Бірақ бұл кездегі құбылысты берілген диаметрдегі тесіктің көлденең қимасының шеңбері арқылы емес, түзілетін көп қырлылықтың ауданының кішілігімен түсіндірілді. Осыған қарамастан, соңынан анықталғандай, изопараметрлік тәуелділіктердің динамикалық жүйелердегі құбылыстарды зерттеуде ешқандай роль атқармайтындығы анықталды.

Нақты айтқанда, статикалық көрсеткіштер ешқашан да динамикалық құбылыстардың себептері болуы мүмкін емес еді.

Тек қана динамикалық жүйелерде өтетін құбылыстарды зерттеудің жасақталған әдістері мен аз әрекет ету принципі және динамикалық жүйелердегі энергия шығындарының заңдылықтары аталған құбылыстарды нақты ғылыми тұрғыда түсіндіруге мүмкіндік берді.

Қазіргі кезде жұмыс жасауға қажетті үш режимнің ешқайсысында динамикалық жүйелер белгілі бір шектеулермен шектелмесе, олар динамикалық тепе-теңдікке ие бола алмайды. Біздің жағдайымызда шектегіштер ретінде тұрақтандырғыштар (стабилизаторлар) қолданылады. Динамикалық жүйелердің энергия шығындары басқа бірдей жағдайларда төменгі жағынан айналу жұбы арқылы шектелетіні белгілі. Бұл жағдайда да берілген деңгейде энергия шығындарын эксцентритеттің белгілі бір шамасымен ($0<\epsilon <\infty$аралығында) шектеу қажеттілігі пайда болады. Шектегіштер болмаған жағдайда аз әрекет ету принципі кез келген динамикалық жүйені энергия шығыны аз болатын жұмыс жасау режимін іздеуге мәжбүрлейді. Динамикалық жүйелер жұмыс жасап тұрған кезде мұндай режимдердің болуы мүмкін емес. Тек қана ($\epsilon \cong 0,i=-1$) нүктесінің аумағында энергияның шексіз аз шығыны бар айналу жұбында режим болуы мүмкін, бірақ ($\epsilon =0,i=-1$) кезінде энергия шығыны күрт артады, себебі динамикалық жүйе лезде жұмыс жасаудың бірінші режиміне лезде ауысады. Бірінші режим (өз осінен айналу) барлық механикалық жүйелер үшін ортақ және оларды толық сипаттайды. Басқаша айтқанда, барлық механизмдердің жұмыс жасау режимі ең көп энергия шығындарын қажет етеді. Бұл энергия шығындары газ немесе сұйық ортадағы диск үйкелісімен байланысты болатын дискалы жылдам айналатын білік модельдерінде және энергия шығындары қашау тістерінің тау жыныстарымен үйкелісінен пайда болатын бұрғылау қашауларында ерекше анық байқалады.

Білік немесе бұрғылау тұрбалары түрінде болатын шектегіштер белгілі жағдайларда радиалды тербеліс үрдістерін шектеуге мүмкіншілігі болмайды, яғни аз энергия шығынын іздеу кезінде динамикалық жүйелер бұзылады. Бұл кезде мүмкіндігінше тез шекті айналымдарға жылдам көшу керек немесе тұрақтандырғыштарды орнату керек, ол бұрғылау колонналарының түбін білікті құрастыру кезінде ескерілген.

Материалдар мен әдістер

Терең ұңғымаларды бұрғылау үрдісінде тау жыныстарын талқандайтын бұрғылау құралдарын тұрақтандыратын басқа әдіс жоқ, себебі осындай геометриялық өлшемді консолдардың бұзылуына өте қатты күш қажет етілмейді. Осылайша, бұрғылау қашауларын тұрақтандыру тек қана қашау үстіндегі тұрақтандырғыш негізінде мүмкін болады.

Осы зерттеулердің мақсатына қашау үстіндегі тұрақтандырғыш идеясына, дәлірек айтқанда шарошка түрінде орындалған шарошкалы кеңейткіш-тұрақтандырғыштың дәлелденген өнертабысына негізделген құрылғыны пайдалана отырып динамикалық жүйедегі радиалды тербелістердің себептері туралы теориялық тұжырымдарды растау немесе жоққа шығару жатады.

Өнертабыс ұңғымаларды бұрғылау бағытына жатады, атап айтқанда, шарошкалы кеңейткіш-тұрақтандырғыштың құрылысына қатысты және мұнай, газ және басқа да ұңғымаларды бұрғылау кезінде қолдануға болады.

Ғылымда жұмыс органдары қалақ болып табылатын кеңейткіш-тұрақтандырғыштар белгілі, олар әдетте цилиндр корпусының шет аймағында орналастырылады [3] (балама).

Қашауды осындай құрылымдық түрде орындалуының едәуір кемшілігі бар.

Пайдалану кезінде қалақтардың қарқынды абразивті тозуы болады, сонымен қатар, бұрғылау үрдісінде қалақтың ұңғымамен шамасы бойынша едәуір және тұрақты түйісу нәтижесінде динамикалық тұрақсыздық орын алады.

Ұсынылған техникалық шешімге ең жақын техникалық құрылғы ретінде шарошкалары корпус биіктігі бойынша және жоспар бойынша 120^° бұрыш жасай орналасқан шарошкалы кеңейткіш-тұрақтандырғышты айтуға болады [4] (прототип).

Шарошкалы кеңейткіш-тұрақтандырғыштың осы нұсқада орындалуы кеңейткіш-тұрақтандырғыштың тозуға тұрақтылығын арттырады, қашау-кеңейткіш-тұрақтандырғыш құрылымын әмбебаптығын және жұмысқа қабілеттілігін күшейтеді. Аталған техникалық шешімнің кемшілігіне бұрғылау құралының ұзақ уақыт тұрақтануы тек қана шарошкалардың белгілі бір қатынасы мен биіктігі кезінде ғана қамтамасыз етілуі жатады [5].

Өнертабыстың мақсатына ұңғыма осіне қатысты корпус биіктігі бойынша және жоспар бойынша 120^° бұрыш жасай орналасқан шарошкалы кеңейткіш-тұрақтандырғыштың тұрақты қалпы есебінен ұңғыма түбіндегі бұрғылау құралының кепілді тұрақтануын қамтамасыз ететін шарошкалық кеңейткіш-тұрақтандырғыш жасақтау жатады [6].

Қойылған мақсат 1 суреттегі ұңғыма осіне қатысты шеттерінде 120^° бұрыш жасай биіктігі бойынша тік бағытталған үш шарошка орналасқан цилиндр корпустан тұратын шарошкалы кеңейткіш-тұрақтандырғыш арқылы шешіледі. Ал корпус биіктігі бойынша өзінің минималды шамалары бойынша тіс ұштарының биіктігімен қиылыспайтын шарошкалардың түзушілері келесідей шарттарға бағынады:

$b_{\min }>\frac{\sqrt{7}\cdot R_{PAC}}{2}$ (1)

мұндағы b_min – тіс ұштары бойынша шарошкалардың ең кіші шамасы, мм; R_PAC – шарошкалы кеңейткіш-тұрақтандырғыштың номиналды радиусы, мм.

 

1-сурет. Қазақстан Республикасы №22228 патенті (E21B 10/30) бойынша қашаулық кеңейткіш тұрақтандырғыштың жалпы көрінісі

Figure 1. General View of a Reamer–Stabilizer for a Drill Bit According to Patent of the Republic of Kazakhstan No. 22228 (E21B 10/30)

 

Шарошкалы кеңейткіш-тұрақтандырғыш келесідей жұмыс жасайды.

Бұрғылау құралының ұңғыма осімен айналасымен айналуы кезінде талап (1) бұрғылау қашауының осіне қатысты тұрақты динамикалық тепе-теңдігін қамтамасыз етеді және осының нәтижесінде ұңғыма түбінде тау жынысы алдын ала конструкциямен бекітілген механизмы арқылы талқандалады. Ұңғыма диаметрі кішірейген кезде шарошкалы кеңейткіш тұрақтандырғыш кеңейткіш қызметін атқара алады.

 Ұсынылған кеңейткіш-тұрақтандырғышты пайдалана отырып бұрғылау қашауының ұңғыма диаметрін жоғалтпай динамикалық тұрақты жұмысын қамтамасыз ету арқылы жалпы бұрғылау құралының тиімділігі арттырылады.

Жұмыста [7] қашау үстіндегі ø 269,9 мм тұрақтандырғыштың тәжірибелік үлгісін дайындауға арналған есептер берілген және ø 203 мм ауырлатылған бұрғылау құбырлар тізбегі негізінде құрылым жасақталды. Құрылым келесідей есептер негізінде дайындалды.

Біріншіден, қашау үстіндегі тұрақтандырғыш бір уақытта ауыстырғыш қызметін атқаруы тиіс. Сонда тұрақтандырғыштың жалпы ұзындығы келесідей есептеулер арқылы анықталады.

$L=2\Delta l_1+2\Delta l_2+3\Delta l_3$ (2)

мұндағы L – тұрақтандырғыштың жалпы ұзындығы, мм; ∆l₁ – жалғастырғыш бұранда ұзындығы, мм; ∆l₂ – бекіткіш болтқа арналған иін ұзындығы, мм; ∆l₃ – тұрақтандырғыш қалағының ұзындығы, мм.

Мұнда ∆l₃ талапқа (1) сәйкес таңдалған қалақтың ұзындығы. Тұрақтандырғышқа (ø 269,9 мм) арналған қалақтың шекті ұзындығын келесі тәуелділіктер арқылы анықтаймыз:

$b>\mathrm{1,323}\frac{\mathrm{269,9}}{2}\mathrm{мм}$, $b>\mathrm{179,44} \mathrm{мм}$

Екіншіден, үлкен сенімділік үшін b шамасын 220 мм деп аламыз. ∆l₁=130 мм шамасын біле отырып және ∆l₂=40 мм шамасын қабылдай отырып қашау үстіндегі ø 269,9 мм тұрақтандырғыштың жалпы ұзындығын келесі формуламен (2) табамыз:

$L=2\cdot 130+2\cdot 40+3\cdot 220=1000 \mathrm{мм}$ (3)

Әрі қарай қашау үстіндегі тұрақтандырғыштың ø 269,9 мм қалағының биіктігін анықтау керек. Қашау үстіндегі тұрақтандырғыштың диаметрі келесідей анықталады.

$\frac{D}{2}=\frac{d}{2}-\Delta d+h$ (4)

мұндағы D – қашау үстіндегі тұрақтандырғыштың диаметрі, мм; d – АБТ диаметрі, мм; ∆d – қалақтарды АБТ орналастыруға арналған жырық тереңдігі, мм; h – қашау үстіндегі тұрақтандырғыштың қалағының биіктігі, мм.

Осыдан қашау үстіндегі тұрақтандырғыштың қалағының биіктігі анықталады.

$h=\frac{D}{2}=\frac{d}{2}+\Delta d$ (5)

Онда, ∆d = 4,55 мм екенін қабылдай отырып, ø 269,9 мм қашау үстіндегі тұрақтандырғыш қалағының биіктігін табамыз.

$h=\frac{\mathrm{269,9}}{2}=\frac{203}{2}+\mathrm{4,55}=\mathrm{134,95}-\mathrm{101,5}+\mathrm{4,55}=34 \mathrm{мм}$

Осы есептеулер арқылы дайындалған қалақ түрінде орындалған ø 269,9 мм қашау үстіндегі тұрақтандырғыш-кеңейткіш өндірістік жағдайда сынақтан өткізілді.

Кейбір жұмыстардағы [8] авторлар орындаған тіректік-орталықтандырушы элементтердің жіктелуіне шолу және олардың бұрғылау колонналарындағы мақсаты болып табылатын бұрғылау колоннасының төменгі бөлігін орталықтандыруды жүзеге асыру, қашаудың жұмысының жағдайын тұрақтандыру және жақсарту құралдары бұрғылау колонналарының түбінің құраушыларын тұрақтандыруға қажетті артықшылықтары мен кемшіліктерін анықтауға мүмкіндік береді.

Сонымен қатар жұмыста бұрғылау жылдамдығының артуына байланысты тіректік-орталықтандырғыш элементтерді қолданудың артуына мән берілген.

Келесідей автор еңбектерінде [9] бұрғылаудың белгілі бір жағдайларында гибридті құрылымдарды пайдалану ұсынылады, яғни кеңейткіштердің де калибратордың да элементтерін атап өтеді, сонымен бірге олардың елеулі кемшіліктерін де көрсетеді:

• кеңейткіш-калибратордың өзінің де және бірге қолданылатын жыныс талқандаушы бұрғылау құрылғысының да жұмыстық қорын төмендететін негізгі жыныс талқандаушы және калибрлеуші беттердің жарақтану тұрақтылығының жеткіліксіздігі;
• кеңейткіш-калибрлеушілердің шарошкаларының тірек тораптарының төзімділігінің жеткіліксіздігі;
• кеңейткіш-калибрлеушінің қажетті диаметрін алуға арналған кәсіпшілік жағдайда ауыстыру кезіндегі шарошкаларды дәл қондырудың күрделілігі;
• ұңғыманың бүйірлік қабырғасында «рейка» түзілуімен байланысты болатын төмен тиімділік, ол сапаның төмендеуіне және түсіру көтеру операцияларына жұмсалатын уақыт шығынының артуына әкеледі;
• цапфаның жапсырмалардың және сақиналардың тірек беттерінің әркелкі тозуының салдарынан ұңғыманың номиналды диаметрін ұстап тұрудың мүмкін еместігі, нәтижесінде шарошкалы кеңейткіш-калибрлеуші диаметрін жоғалтады.

Мұның барлығы кеңейткіш-калибрлеушінің жұмысының тиімділігін төмендетеді.

Жыныс талқандаушы құралдарды өндіретін белгілі өндіруші [10] әртүрлі құрылымдарды ұсынады: XR™ кеңейткіші, NBR® қашау үстіндегі кеңейткіші, UR™ жылжымалы кеңейткіші, осылардың арасынан SPHO кеңейткіші көзге түседі, себебі оның құрылымы бүтін болып келеді және корпусы өздігінен тұрақтандырғышпен жабдықталған, бірақ оның профильденген қалақшалары, тұрба сырты кеңістігінің тарылуы салдарынан шламды шығаруды қиындатады.

Ұсынылып отырған ұңғыма түбіндегі тұрақтандыруға арналған қалақты кеңейткіш-тұрақтандырғыштың құрылымы тұрақтандыруды биіктігі бойынша орналастырылған, тік бағытталған үш қалақ арқылы қамтамасыз етіледі, олар шеткі аймақта 120° бұрыш жасай орналастырылған және құрылымға қажетті қаттылық және беріктік беру үшін бүтін болат дайындамадан фрезерлеу жолымен дайындалған.

 

2-сурет. Қалақ түрінде орындалған кеңейткіш-тұрақтандырғыш прототипінің түрі

Figure 2. Prototype Type of a Blade-Type Reamer–Stabilizer

 

Нәтижелер

Жүргізілген сынақтар келесідей нәтижелер көрсетті:

1. Ұңғыма түбіндегі бұрғылау қашауының динамикалық тұрақты жұмысы жаңа техникалық шешім негізінде дайындалған қашау үстіндегі тұрақтандырғышты пайдалану кезінде тиімді болатыны туралы теориялық тұжырымдаманың дұрыстығын көрсетті. Ол өнертабысқа берілген Қазақстан Республикасы №22228 патенті (E21B 10/30) арқылы дәлелденді.
2. Өндірістік жағдайда сынау кезіндегі қашау үстіндегі тұрақтандырғышты пайдалану нәтижесіндегі бұрғылау қашауларының тұрақты динамикасы бұрғылаудың механикалық жылдамдығын 5% арттыруға және қашау бойынша өту мөлшерін 7,3% арттыруға мүмкіндік берді.
3. Бұрғылау қашауының майланып бітелу фактысының азаюы байқалды, бұл қашау үстіндегі тұрақтандырғыштағы биіктік бойынша орналастырылған қалақтардың жуу сұйықтығының динамикасына оң әсер еткенін көрсетеді.
4. Бұрғылау мекемесі осы мақаладағы ұсынылған ғылыми жаңалықты терең мұнай және газ ұңғымаларын бұрғылау жұмыстарына енгізуді қолдады.

ҚОСЫМША

Қаржыландыру көзі. Зерттеу жұмысы жеке бастамамен, оқытушылардың өз қаражаты есебінен жүргізілді.

Мүдделер қайшылығы. Авторлар осы мақаланы жариялауға байланысты айқын және ықтимал мүдделер қайшылығының жоқтығын жариялайды.

Авторлардың қосқан үлесі. Барлық авторлар өздерінің авторлық үлесін ICMJE халықаралық критерийлеріне сәйкестігін растайды (барлық авторлар зерттеу тұжырымдамасын әзірлеуге, зерттеуді жүргізуге және мақаланы дайындауға елеулі үлес қосты, мақаланың соңғы нұсқасын оқып, жариялауға дейін мақұлдады). Негізгі үлес төмендегідей бөлінді: Абишев М.Н. – мәтін жазу, аналитика, дереккөздермен жұмыс, қолжазбаны редакциялау; Жантурин Ж.К. – дереккөздермен жұмыс, әдеби шолуды дайындау, формулалар мен анықтамалық деректерді дайындау; Ахметов Н.М. – дайындыққа жалпы басшылық жасау, мәтінді құрылымдау.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This research was carried out independently by the authors, without external financial support.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors confirm that their authorship complies with the international ICMJE criteria (each author made a significant contribution to the study conception, research implementation, and manuscript preparation, read and approved the final version before publication). The main contributions are distributed as follows: Murat N. Abishev – text writing, analytics, working with sources, manuscript editing; Zhomart K. Zhanturin – working with sources and preparing the literature review, preparation of formulas and reference data; Nurken M. Akhmetov – general preparation guidance, text structuring.

Авторлар туралы

Мурат Николаевич Абишев

Сафи Өтебаев атындағы Атырау мұнай және газ университеті

Email: m_abishev_nik@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-5793-3800

техн. ғыл. канд., доцент

Қазақстан, Атырау қаласы

Жомарт Кайржанович Жантурин

Сафи Өтебаев атындағы Атырау мұнай және газ университеті

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: aing-zhomart@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-4944-1850

техн. ғыл. канд., доцент

Қазақстан, Атырау қаласы

Нуркен Махсутович Ахметов

Сафи Өтебаев атындағы Атырау мұнай және газ университеті

Email: n.akhmetov@aogu.edu.kz
ORCID iD: 0009-0008-5892-2530

техн. ғыл. докт., профессор

Қазақстан, Атырау қаласы

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар