Қазақстанның мұнай-газ саласының хабаршысы

2707-42262957-806X

KMG Engineering

108959

10.54859/kjogi108959

Stability Analysis of Bottom-hole Drilling Bits Utilizing an Advanced Reamer-Stabilizer Configuration

Zhanturin

Zhomart K

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Safi Utebayev Atyrau University of Oil and Gasaing-zhomart@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0007-4944-1850Abishev

Murat N

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Safi Utebayev Atyrau University of Oil and Gasm_abishev_nik@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-5793-3800Ahmetov

Nurken M

Doctor of Technical Sciences, Professor at Safi Utebayev Atyrau University of Oil and Gasn.akhmetov@aogu.edu.kzhttps://orcid.org/0009-0008-5892-2530

Atyrau University of Oil and Gas named after Safi Utebayev82

06032026

09042026

ABSTRACT Background. During deep drilling of oil and gas wells, the dynamic instability of the drill string caused by radial and axial vibrations of the drill bit results in a reduction in the rate of penetration (ROP), intensive tool wear, and deterioration of the wellbore gauge. This problem becomes particularly significant when drilling formations with alternating lithology and rock strength. An analysis of existing technical solutions, including the roller-cone reamer–stabilizer design implemented in the Patent of the Republic of Kazakhstan No. 22228 (E21B 10/30), revealed the need to improve the geometric and dynamic parameters of stabilizing devices intended to ensure stable dynamic equilibrium of the “bit–drill string–rock formation” system. Aim. The objective of this study is to provide theoretical and experimental justification of the causes of radial vibrations of the drilling tool and to develop a near-bit roller-cone reamer–stabilizer capable of ensuring the stability of the bottom-hole assembly (BHA) at the well bottom. The stability is achieved through the efficient arrangement of the working elements at an angle of 120° and by satisfying the conditions governing the formation of the roller-cone elements through their minimum dimension. Materials and Methods. The study is based on the principles of drill string dynamics, the laws governing energy dissipation in rotational mechanical systems, and the principle of least action. A mathematical model was developed to determine the dependence of the minimum size of the roller-cone forming elements on the nominal radius of the reamer–stabilizer. The geometric parameters of an experimental prototype of a near-bit stabilizer with a diameter of 269.9 mm, manufactured on the basis of a 203 mm heavy-weight drill pipe (HWDP), were theoretically substantiated. Experimental studies were conducted under field conditions during deep drilling operations. Results. It was established that satisfying the structural condition ensures stable dynamic equilibrium of the drilling tool relative to the wellbore axis. Field tests demonstrated a 5% increase in the rate of penetration (ROP) and a 7.3% increase in bit run length. A reduction in bit balling and clogging was also observed, indicating improved hydrodynamic bottom-hole cleaning. Conclusion. The developed design of the near-bit roller-cone reamer–stabilizer confirms theoretical concepts regarding the nature of radial vibrations in drill string dynamic systems and contributes to improving the efficiency of deep oil and gas well drilling. The obtained results demonstrate the feasibility of industrial implementation of the proposed technical solution and its effectiveness for application in the design of bottom-hole assembly (BHA) configurations.

Keywords: drill bit, radial vibrations, stabilizer-reamer, dynamic stability, rate of penetration (ROP), footage.

Кілт сөздер: бұрғы қашауы, радиалды тербелістер, тұрақтандырғыш-кеңейткіш, динамикалық тұрақтылық, бұрғылаудың механикалық жылдамдығы, бұрғылау көлемі.

Ключевые слова: буровое долото, радиальные колебания, стабилизатор-расширитель, динамическая устойчивость, механическая скорость бурения, проходка.

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 (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 () нүктесінің аумағында энергияның шексіз аз шығыны бар айналу жұбында режим болуы мүмкін, бірақ () 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. Ұсынылатын техникалық шешім 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 үстілік тұрақтандырғыш негізінде мүмкін болады. Осы зерттеулердің мақсатына қашау үстілік 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: (1) мұндағы – тіс ұштары бойынша шарошкалардың ең кіші шамасы, мм; – шарошкалы кеңейткіш-тұрақтандырғыштың номиналды радиусы, мм. 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. Сурет 1 – Қазақстан Республикасы №22228 патенті (E21B 10/30) бойынша қашаулық кеңейткіш тұрақтандырғыштың жалпы көрінісі Жұмыста [7] қашау үстілік Æ 269,9 мм тұрақтандырғыштың тәжірибелік үлгісін дайындауға арналған есептер берілген және Æ 203 мм ауырлатылған бұрғылау тұрбасы негізінде құрылым жасақталды. Құрылым келесідей есептер негізінде дайындалды. Біріншіден, қашау үстілік тұрақтандырғыш бір уақытта ауыстырғыш қызметін атқаруы тиіс. Сонда тұрақтандырғыштың жалпы ұзындығы келесідей есептеулер арқылы анықталады. (2) мұндағы - тұрақтандырғыштың жалпы ұзындығы, мм; – жалғастырғыш бұранда ұзындығы, мм; – бекіткіш болтқа арналған иін ұзындығы, мм; – тұрақтандырғыш қалағының ұзындығы, мм. Мұнда талапқа (1) сәйкес таңдалған қалақтың ұзындығы. Тұрақтандырғышқа (Æ 269,9 мм) арналған қалақтың шекті ұзындығын келесі тәуелділіктер арқылы анықтаймыз: Екіншіден, үлкен сенімділік үшін шамасын 220 мм деп аламыз. шамасын біле отырып және шамасын қабылдай отырып қашау үстілік Æ 269,9 мм тұрақтандырғыштың жалпы ұзындығын келесі формуламен (2) табамыз: (3) Әрі қарай қашау үстілік тұрақтандырғыштың Æ 269,9 мм қалағының биіктігін анықтау керек. Қашау үстілік тұрақтандырғыштың диаметрі келесідей анықталады. (4) мұндағы - қашау үстілік тұрақтандырғыштың диаметрі, мм; – АБТ диаметрі, мм; – қалақтарды АБТ орналастыруға арналған жырық тереңдігі, мм; - қашау үстілік тұрақтандырғыштың қалағының биіктігі, мм. Осыдан қашау үстілік тұрақтандырғыштың қалағының биіктігі анықталады. (5) Онда, екенін қабылдай отырып, Æ 269,9 мм қашау үстілік тұрақтандырғыш қалағының биіктігін табамыз Осы есептеулер арқылы дайындалған қалақ түрінде орындалған Æ 269,9 мм қашау үстілік 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: <ul> <li>кеңейткіш-калибратордың өзінің де және бірге қолданылатын жыныс талқандаушы бұрғылау құрылғысының да жұмыстық қорын төмендететін негізгі жыныс талқандаушы және калибрлеуші беттердің жарақтану тұрақтылығының жеткіліксіздігі;</li> <li>кеңейткіш-калибрлеушілердің шарошкаларының тірек тораптарының төзімділігінің жеткіліксіздігі;</li> <li>кеңейткіш-калибрлеушінің қажетті диаметрін алуға арналған кәсіпшілік жағдайда ауыстыру кезіндегі шарошкаларды дәл қондырудың күрделілігі;</li> <li>ұңғыманың бүйірлік қабырғасында «рейка» түзілуімен байланысты болатын төмен тиімділік, ол сапаның төмендеуіне және түсіру көтеру операцияларына жұмсалатын уақыт шығынының артуына әкеледі;</li> <li>цапфаның жапсырмалардың және сақиналардың тірек беттерінің әркелкі тозуының салдарынан ұңғыманың номиналды диаметрін ұстап тұрудың мүмкін еместігі, нәтижесінде шарошкалы кеңейткіш-калибрлеуші диаметрін жоғалтады.</li> </ul> Мұның барлығы кеңейткіш-калибрлеушінің жұмысының тиімділігін төмендетеді. Сурет 2 – қалақ түрінде орындалған кеңейткіш-тұрақтандырғыш прототипінің түрі Жыныс талқандаушы құралдарды өндіретін белгілі өндіруші [10] әртүрлі құрылымдарды ұсынады: XR™ кеңейткіші, NBR® қашау үстілік 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. Қортынды Жүргізілген сынақтар келесідей нәтижелер көрсетті: <ol> <li>Ұңғыма түбіндегі бұрғылау қашауының динамикалық тұрақты жұмысы жаңа техникалық шешім негізінде дайындалған қашау үстілік тұрақтандырғышты пайдалану кезінде тиімді болатыны туралы теориялық тұжырымдаманың дұрыстығын көрсетті. Ол өнертабысқа берілген Қазақстан Республикасы №22228 патенті (E21B 10/30) арқылы дәлелденді.</li> <li>Өндірістік жағдайда сынау кезіндегі қашау үстілік тұрақтандырғышты пайдалану нәтижесіндегі бұрғылау қашауларының тұрақты динамикасы бұрғылаудың механикалық жылдамдығын 5% арттыруға және қашау бойынша өту мөлшерін 7,3% арттыруға мүмкіндік берді.</li> <li>Бұрғылау қашауының майланып бітелу фактысының азаюы байқалды, бұл қашау үстілік тұрақтандырғыштағы биіктік бойынша орналастырылған қалақтардың жуу сұйықтығының динамикасына оң әсер еткенін көрсетеді.</li> </ol> 4.Бұрғылау мекемесі осы мақаладағы ұсынылған ғылыми жаңалықты терең мұнай және газ ұңғымаларын бұрғылау жұмыстарына енгізуді қолдады.

Pengfei Deng, Xing Tan, He Li (и др.). Influence of Blades Shape and Cutters Arrangement of PDC Drill Bit on Nonlinear Vibration of Deep Drilling System. Journal of Sound and Vibration, Vol. 572 (2024). Article 118165. — 38 p. — DOI: 10.1016/j.jsv.2023.118165.

Jiawei Zhang, Meng Cui, Qing Wang, Haitao Ren, Guodong Ji, Fangyuan Shao, Jinping Yu. Experimental Study on Rock Drilling Vibration of PDC Bit in Interbedded Formations. Geoenergy Science and Engineering, Vol. 244 (2025). Article 213452 — DOI: 10.1016/j.geoen.2024.213452.

Палий П.А., Корнеев К.Е. Буровые долота. Справочник. М., Недра. 1971. 446 с.

А.с. № 595481 (СССР). Шарошечный расширитель-стабилизатор. // Н.Д. Чумаков, Ю.Ф. Кудеков, Ю.М. Скорняков. Б.И., 1978, № 8.

Стеклянов Б.Л., Торгашев А.В., Логинов А.А., Соколов Ю.Н., Валиева К.Г. Повышение эффективности бурового породоразрушающего инструмента. Обзорная информация. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. М., 1991, С. 35-45.

Патент на изобретение (19) KZ (13) B (11) 22228 (51) E21B 10/30 (2006.01)

Ахметов Н.М., Абишев М.Н. Разработка конструкции наддолотного расширителя-стабилизатора. – Атырау: Сборник научных трудов международной научно-практической конференции «Проблемы научно-технического и кадрового обеспечения нефтегазовой промышленности Казахстана». -Атырау: АИНГ, 2008.-С. 273-280.

Обзор классификации опорно-центрирующих элементов и их назначение в бурильной колонне. Н.И. Гирфанова, А.А. Щевелёв, Л.М. Левинсон, Ф.Н. Янгиров (Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Российская Федерация). Проблемы сбора и подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Научно-технический журнал. (3) 2019. С. 35-46. DOI: 10.17122/ntj-oil-2019-3-35-46

Совершенствование конструкции шарошечного расширителя-калибратора. Дмитрий Юрьевич Сериков. Интернет-портал и всероссийский научно-технический журнал СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ. 5/2023 С. 76-78.

10.

Каталог технических решений. Halliburton. Drill Bits & Services. C.50-56. www. halliburton.com