Вооружение шарошек долота напрямую влияет на величину проходки, которую можно снять с долота. Именно от этого зависит, растрескаются или выпадут твердосплавные вставки и остановится или будет продолжаться бурение. Как правило, долото никогда не изнашивают по зубу на 100%. Буровики в процессе бурения судят об износе зуба по уменьшению механической скорости проходки (Vмех), – скорости внедрения инструмента в породу. Если по разрезу не встречается достаточно твердых (кварцевые песчаники) или особо мягких («Сеноман») пропластков, разрез считается более или менее однотипным (сланцы-песчаники или известняки-доломиты). Как правило, при бурении обсадной колонны одним типом долота буровики достаточно чутко улавливают снижение Vмех из-за износа вооружения долота, несмотря на местные отклонения в однородности пород. В руководящих документах (РД) существует четкая запись, что, если Vмех со временем снижается вдвое, то долото следует поднять. Однако буровики этого указания не всегда придерживаются. Никто не будет поднимать долото, если начальная Vмех составляла 50 м/ч и затем снизилась до 25 м/ч, поскольку 25 м/ч – хорошая скорость, при которой можно пройти достаточно большой интервал, прежде чем Vмех начнет резко снижаться (т.е. буровики стараются подольше продержать долото на забое). К этому стремятся, как правило, при бурении уже из-под кондуктора с тем, чтобы, за счет увеличения проходки (по сравнению с проектом) сэкомить, например, одно долото. Но, что гораздо важнее, сэкономить одну операцию по спуску/подъему долота, поскольку эта операция представляет собой наиболее затратную статью в смете расходов, где стоимость часа эксплуатации буровой установки или морской буровой платформы просто несопоставима со стоимостью долота.
СУЩЕСТВУЮЩЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Буровиков, работающих в соответствии с такой методикой, не волнует процент износа вооружения долота. Зачем же тогда нужна эта статья? Дело в том, что на первый взгляд, частные случаи замера процента износа вооружения долота после каждого рейса (чему, очевидно, не просто так уделяется внимание в РД России и за рубежом) перерастают в серьезную государственную проблему. Об этом можно судить даже по тому, что геофизиками была специально разработана инструкция для буровых супервайзеров.В этой инструкции проводится четкая взаимосвязь между процентом износа зуба и рекомендациями, которые супервайзер должен был давать буровику с целью улучшения отработки данного долота в последующем «долблении» (которое, обычно осуществляется в аналогичных породах, при неизменном режиме и характере промывки ствола скважины) для достижения максимальной проходки за один рейс.
Указанные рекомендации обеспечивают контроль системной работы буровиков, с учетом правильного выбора долот, что всегда можно проверить, и содержат рекомендации для оптимизации процесса.
Рассмотрим выдержку из первой обязательной ежедневной «Инструкции супервайзера», содержащей порядок суточного заполнения рапорта по надзору за процентом износа зубьев, подготовленной службой Геолого-технологических исследований.
На основе данных о проценте износа вооружения долота, представленных супервайзеру буровиком, делается пометка в буровом журнале о данных буровику (в соответствии с Инструкцией) указаниях.
Всего в Инструкции приводится 17 таких типовых вариантов износа и соответствующих текстов рекомендаций.
В настоящее время опубликован международный КОД IADC (International American Drilling Code) по упорядочению описаний характера износа вооружения долота. Однако он не затрагивает вопроса о том, каким образом (после фиксации факта износа в виде описания его в соответствии с правилами нового кода) нужно замерять износ зуба. Создается нелепая ситуация. Достаточно спросить трех буровиков, которые должны фиксировать теперь износ через 12,5% (вместо 25%, увеличив точность в 2 раза) и вы получите три разных ответа. Причина возникновения ошибки понятна. Оценка производится, как и ранее – визуально. Замеряются не все зубья. Вывод делается в зависимости от опыта проверяющего. С другой стороны, разработаны четкие требования IADC к точности описания износа зубьев. Возникает явное противоречие т.к. точность износа зуба ничем не подтверждается однозначно. Кто-то должен проверять данные, поступающие с буровой. Но как?
В связи с этим автором предлагается вычислять процент износа вооружения долота с отказом от инструментальных замеров. Можно с уверенностью утверждать, что разработан гарантированный способ (за счет проверки на сходимость), который, к тому же и более точный, чем вышеизложенный. По этой причине новый способ получил название «ПРИВОД» (Правдивый Расчет Износа Вооружения Долота). Этот способ позволит супервайзеру ревизовать на компьютере приблизительные данные о проценте износа зуба, получаемые с буровой.
Точность достигается за счет того, что данные о проценте износа зуба, получаемые супервайзером с буровой и уточненные с помощью «ПРИВОДа», трансформируются в расчетную проходку (которая должна была бы иметь место по теории вероятности при данном режиме и за данное время). Эта информация сравнивается с фактической проходкой. Разница не должна со- ставлять более 12,5%, что признано допустимым в соответствии с кодом IADC, где допуск по точности оценки износа зуба также не должен превышать 12,5%.
Если знать, как изнашивается во времени вооружение и как это влияет на Vмех, можно сформулировать уравнение величины проходки на долото М (в метрах) за то время, пока зуб не износится, допустим, на 50%, когда с большой долей вероятности и Vмех уменьшится вдвое по сравнению с первоначальной. Эта попытка была осуществлена еще 50 лет назад американскими учеными Галле и Вудсом [2]. Ими были предложены дифференциальные уравнения износа зуба, износа (открытой) опоры, уравнение механической скорости и уравнение проходки. Эти уравнения можно использовать и в настоящее вре- мя. Хотя, в связи с развитием технологии бурения необходимы определенные поправки [3, 4] в методике использования этих уравнений (см. ниже). Однако к моменту, когда выяснилось, что с упомянутыми поправками указанные уравнения можно использовать и в современных условиях, теория Галле-Вудса была раскритикована в связи с несходимостью прогнозных и фактических данных, полученных в СССР и США, в связи с тем, что прогнозы по проходке при изменении нагрузок и оборотов не сходились, поскольку в расчетах принимались несоответствующие действительности проценты износа вооружения долота.
В настоящее время понятна и причина этой несходимости. Еще при первой публикации [2] авторы пояснили, что достаточная точность расчетов гарантируется только в том случае, если в начальных условиях прогнозного расчета на последующий рейс (после предыдущего рейса, данные которого были использованы для анализа) будут использованы достаточно точные данные по проценту износа вооружения долота, полученные в результате износа зуба в предыдущем (фактическом) рейсе.
К сожалению, путем инструментальных замеров с задачей получения нужной точности справиться так и не удалось.
Надо было искать другие решения. И нами был предложен новый подход к вычислению процента износа зубьев. Если процент износа как бы не удается точно вычислить по формулам (прогноз износа не сходится с замером, который также приблизителен) то, может быть, удастся добиться успеха, если поменять местами задачи. Применить метод обратного счета. Не стараться определять процент износа вооружения долота в зависимости от проходки, а рассчитывать при каком проценте износа зуба единственно только и могла возникнуть по теории вероятности фактическая величина проходки за время работы долота на забое в предыдущем «долблении».
Формула прогноза проходки на долото позволяет решить эту задачу. В известном, упомянутом, уравнении проходки [1] процент износа зуба обозначен, как (V %). Влияние всех остальных факторов на формирование величины проходки за определенное время – известно. Коэффициент износа зуба (V %) неизвестен, как об этом уже говорилось выше, если ставится задача спрогнозировать проходку за определенное время в последующем рейсе. Но при обратном счете нет необходимости прогнозировать проходку на долото. Она нам известна из предыдущего рейса.
Обратимся теперь к структуре упомянутого уравнения расчета проходки [2].
Допустим, что в нашем распоряжении имеется один пример из отчета по отработке долот.
Фактическое «долбление». Итак, величина проходки после окончания рейса Мф, известна, как и остальные поправочные коэффициенты, которые можно рассчитать даже при помощи обычного калькулятора или взять из таблиц функций в зависимости от величины нагрузки, оборотов и времени «долбления» на данной скважине.
М = К(АСРдmR (V %)/i)
где М – проходка на долото в метрах; i – табулированный коэффициент интенсивности вращения долота; К – масштабный коэффициент, учитывающий необходимые поправки при изменении диаметра обсчитываемого долота от 190 до 311 мм, но не более; А и С – коэффициенты, получаемый из комбинации известных факторов, учитывающие, в основном, влияние на их изменение фактического времени бурения Тб при данном сочетании исходных условий расчета. В них входят также (V %) коэффициент износа периферийного ряда зубьев и U = f (V) – для учета степени износа прочих венцов зубьев на шарошке; Рд – нагрузка (или осевое давление) на долото; m – коэффициент, учитывающий влияние вибраций (табулированная функция в зависимости от нагрузки на долото и от жесткости бурильного инструмента, от об/мин долота и от крепости проходимых пород. R – коэффициент характеристики крепости проходимых пород (твердые или мягкие).
Итак, при беглом взгляде на уравнение, кажется, что неизвестен в нем только коэффициент (V %).Первая мысль, которая приходит в голову – решить данное уравнение относительно (V %), чтобы затем вычислить процент фактического износа зуба теоретически, так как, если известен этот коэффициент, то процент износа вооружения долота (в его натуральном исчислении в среднем по всем шарошкам долота) находится непосредственно по таблице, связывающей зависимость этих двух факторов.
Однако при детальном рассмотрении выясняется, что неизвестными являются еще и коэффициенты А и С, содержащие, в свою очередь, коэффициент (V %) и даже U = f (V). Получается, что эта задача так просто не решается.
Вместе с тем решение все же можно найти, если соединить описанный метод «обратного счета» с методом последовательных приближений.
Процесс вычисления процента износа зуба, при котором (с учетом влияния других факторов) можно получить величину фактической проходки выполняется на компьютере пошагово.
Задается последовательно рядом произвольных значений неизвестного коэффициента износа зуба (V %) и рассчитывается А и С для данного случая.
Затем, принимается во внимание величина поправочных коэффициентов для данного случая расчета, заранее определенная для других влияющих факторов, например, по таблицам функций.
Вероятная проходка, которая должна была бы иметь место в данном случае после истечения времени фактического рейса (если бы коэффициент износа вооружения долота (V %) был бы равен той произвольной величине, которая была принята за начальные условия при первом шаге расчета) рассчитывается по формуле. Полученная проходка сравнивается с фактической и, если она меньше, то за основу второго шага расчета принимается величина на шаг большая (или значительно большая), чем в первом случае. Методом «золотого сечения» получаем величину, практически совпадающую с величиной фактической проходки. Например, на допустимую по международным правилам, величину 12,5%.
Найдя, таким образом, правдивую и всегда готовую для проверки, величину коэффициента износа зуба компьютер рассчитывает истинное значение процента износа вооружения долота по таблице, где коэффициент (V %) связан с действительной величиной износа зубьев (в ее интегральном значении) прямой зависимостью.
Это будут наиболее правдивые, приведенные к истине, значения процента износа вооружения, поскольку в данном случае сравниваются не какие-то эфемерные цифры среднего процента износа зуба, полученные в результате не повторяемых по точности, инструментальных замеров, а проходка, фиксируемая буровиками достаточно точно, что легко и просто можно проверить для подтверждения сходимости расчетных и фактических данных.
Конечно, это будут «приведенные» цифры.Поэтому предлагаемому методу было присвоено название «ПРИВОД» (по Белоруссову) – правдивый процент износа вооружения долота.
Была подана заявка на изобретение «Использование совокупности известных признаков, позволяющих получить новое качество».
ВЫВОДЫ
Мы полагаем, что разработка программы «ПРИВОД» может стать хорошим дополнением к американской программе IADC, так как позволяет навести порядок не только в деле единообразия записи износа вооружения долот, но и в методике достаточно точного определения процента износа вооружения долота без инструментальных замеров.
В сочетании со статьей «Способ определения процента износа закрытой опоры долота расчетным путем», опубликованной автором [3], эти две работы открывают путь к расчетам оптимизации режима бурения, поскольку теперь прогноз изменения показателей бурения в следующем рейсе при изменении осевого давления и оборотов можно давать более надежно и точно и без риска повреждения или поломки шарошки в случае использования долота несколько раз [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Белоруссов В. О. «Выбор долот с помощью компьютера», Бурение и нефть, декабрь 2002 г.
Galle E. V., Woods H. B. «Best constant Bit Weight and Rotary Speed», Mine&Quarry Eng., 1961 № 1 стр. 29–34, № 2 стр. 74–81.
Белоруссов В. О. «Способ точного определения процента износа закрытой опоры долота расчетным путем», Нефтегазовые технологии, № 10, октябрь 2007 г.
Белоруссов В. О. «О возможности безопасного спуска долота на второй и третий рейс без риска аварии (с шарошкой)», Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, № 12, 2007 г., стр. 9–12.
Автор: Белоруссов В. О.
