Если вы когда-либо наблюдали, как хорошо спланированное бурение превосходило сопоставимое бурение на 20–40% МСП при меньшем количестве отказов инструмента, скорее всего, дело было не в долоте, пласте или удаче, а в превосходном контроле перепада давления на забойном двигателе. Вот провокационное заявление: большая часть потерь в производительности забойной компоновки с приводом от забойного двигателя вызвана не горной породой; они вызваны плохим управлением давлением. Это верно: большее количество отключений, больше остановок, больше сгоревших статоров и больше сломанных эластомеров почти всегда указывают на контроль перепада давления.
Основная проблема проста, но неумолима: забойный двигатель преобразует гидравлическую энергию — поток и давление — во вращение и крутящий момент. Неправильно справьтесь с этим давлением, и ваш двигатель либо перегорит, либо задохнется. Если вы работаете слишком низко, вы получите неадекватную скорость и крутящий момент долота; поднимитесь слишком высоко, и вы получите срыв, шип и урон. Результатом являются дорогостоящие простои и ухудшение качества скважины.
В этом посте вы узнаете, как именно перепад давления влияет на диапазон рабочих характеристик забойного двигателя; как считывать и использовать давление на выходе из забоя, давление в точке сваливания и давление на выходе из сваливания; как найти и поддерживать оптимальное давление бурения; и как адаптировать эти концепции к сегодняшним системам с высоким расходом и высоким HHP. Мы рассмотрим практический мониторинг поверхности, обратную связь в скважине, принятие решений на основе тенденций и взаимодействие с гидравликой, выбором долота и механикой пласта, чтобы вы могли бурить быстрее, безопаснее и дольше на забое.
Ключевой вывод
Дифференциальное давление является единственным наиболее действенным рычагом для получения максимального крутящего момента и оборотов от забойного двигателя без повреждения силовой части.
Постоянно отслеживайте три контрольные точки давления: давление вне дна (базовый уровень), давление точки сваливания (предел) и давление на выходе из сваливания (опасная зона). Сверлите при оптимальном дифференциале чуть ниже срыва.
Эксплуатируйте забойный двигатель в пределах верхнего предела его номинального окна расхода (обычно 70–85 % от максимального) для достижения более высоких оборотов в минуту, большего крутящего момента и более сильного сопротивления опрокидыванию — без перехода в диапазоны разрушительного давления.
Используйте корректировки, основанные на тенденциях: по мере того, как базовая линия от забоя повышается при добавлении бурильной трубы или изменении свойств бурового раствора, повторно проверьте точку остановки и повторно отцентрируйте оптимальное давление бурения.
Интегрируйте моделирование гидравлики, оптимизацию насадки долота и обратную связь по давлению/об/мин/крутящему моменту в реальном времени для точного управления и превосходной скорости проходки при меньших затратах на фут.
Забойное давление
Давление на забое — это базовое циркуляционное давление, регистрируемое манометром буровой установки (или датчиком стояка), когда насос работает на заданной скорости бурения, но долото не контактирует с пластом. Это очень важно, поскольку любое другое состояние давления — точка остановки, остановка и оптимальное давление бурения — измеряется как разница выше этой базовой линии. Другими словами, давление на выходе из нижней части является эталонным нулем для интерпретации нагрузки двигателя.
Почему меняется забойное давление и почему это важно:
Потери давления на трение увеличиваются с увеличением количества бурильных труб в скважине и с более высокими скоростями потока.
Реология бурового раствора и изменения плотности (например, из-за разбавления, добавления барита, температуры) изменяют сопротивление системы.
Наземное оборудование и кольцевые ограничения меняются по мере изменения длины КНБК, стабилизаторов и инструментов MWD/LWD.
Практические шаги:
Установите базовую линию от забоя при точной скорости закачки, с которой вы собираетесь бурить. Изменение потока меняет мощность двигателя, поэтому всегда восстанавливайте базовый уровень после значительных изменений потока.
Повторно проверьте нижнюю часть, когда добавляете подставки. Базовая линия обычно ползет вверх с глубиной. Если вы не проведете повторную проверку, вы можете подумать, что у вас тот же перепад давления, хотя на самом деле вы близки к остановке.
Перекрестная проверка вне забоя с использованием данных скважинного инструмента, если таковые имеются (например, ΔP внутреннего двигателя по данным MWD). Давление на поверхности стояка включает трение в системе; внутренний дифференциал двигателя является частью этого.
Интерпретация забойного давления с помощью забойного двигателя:
Забойный двигатель потребляет часть давления системы в виде гидравлической мощности в силовой секции. Давление на забое исключает дополнительную нагрузку на двигатель от резки породы.
Стабильность забойного давления указывает на постоянные свойства бурового раствора и путь циркуляции. Подъем над забоем при постоянных условиях может сигнализировать о закупорке (насадках долота, экранах MWD) или скоплении шлама.
Простой рабочий процесс:
Установите скорость насоса в соответствии с целевым потоком бурения.
Запишите давление вне забоя (P_off).
Аккуратно прижмите долото к нижней части и создайте перепад давления относительно P_off, когда начнете бурение.
Отслеживайте, как приложенная нагрузка на долото (WOB) и поворотный привод взаимодействуют с ΔP, чтобы поддерживать двигатель в рабочем диапазоне.
Давление в точке срыва
Давление точки остановки – это точное показание давления на поверхности, при котором забойный двигатель теряет мощность: внутреннее движение ротора-статора прекращается, а вращение долота от двигателя падает до нуля. В точке остановки двигатель достиг максимального крутящего момента для данного расхода и свойств бурового раствора. Если пройти мимо этого, вы рискуете повредить эластомер, расслоить статор и ускорить износ.
Основные характеристики точки сваливания:
Это повторяется при заданном расходе, температуре и реологии бурового раствора — до тех пор, пока не изменятся условия системы.
Его можно определить по характерному перегибу: постепенное увеличение нагрузки на рабочую нагрузку приводит к непропорционально большому увеличению давления с незначительным увеличением скорости проходки или вообще без нее. Когда вы целуетесь в тупик, крутящий момент резко увеличивается, а обороты падают.
В скважине срыв проявляется как быстрое падение частоты вращения почти до нуля с пиковым моментом; поверхности, вы увидите плато давления, а затем резкое повышение.
Как безопасно найти точку остановки:
Начиная с P_off, постепенно увеличивайте нагрузку на рабочую массу, сохраняя постоянный расход в рекомендуемом верхнем диапазоне двигателя (70–85 % от максимального).
Следите за сглаживанием реакции скорости проходки на добавленную нагрузку на долото и повышение крутизны давления в стояке.
Отметьте давление, при котором двигатель колеблется или глохнет: P_stall.
Немедленно отключите WOB, чтобы избежать остановки.
Почему вы должны знать P_stall:
Он устанавливает верхнюю границу вашего рабочего окна. Оптимальное давление бурения будет ниже этого значения.
Он меняется вместе с расходом: более высокий расход обычно увеличивает мощность срывного момента и сдвигает P_stall выше.
Он чувствителен к температуре: расширение эластомера при повышенных забойных температурах может уменьшить зазор, изменяя внутреннее поведение ΔP.
Количественная оценка близости ларька:
Перепад давления (ΔP_drill) = P_внизу ? P_выкл.
Маржа срыва = P_stall ? P_on-bottom. Поддерживайте положительный запас во время бурения в установившемся режиме.
Многие команды стандартизируют рабочий запас в 100–300 фунтов на квадратный дюйм ниже срыва, в зависимости от конструкции инструмента и изменчивости пласта.
Остановленное давление
Давление остановки — это резкий скачок давления в стояке — часто 300 фунтов на квадратный дюйм или более — сразу после пересечения точки остановки. Это событие «красной линии»: ротор останавливается относительно статора, но насос продолжает подавать поток, вызывая быстрый рост перепада давления в силовой части. Оставайтесь здесь даже на короткое время, и вы рискуете катастрофическим перегревом эластомера, скручиванием в крайних случаях и дорогостоящим ремонтом двигателя.
Признавая застопорившееся:
Вы достигаете P_stall, затем давление резко подскакивает (например, +300–800 psi). МСП разрушается, крутящий момент достигает максимума, а вращение поверхности может затягиваться, если вы приводите в движение колонну.
Сигнатуры скважинной вибрации меняются; иногда нисходящая линия связи MWD показывает нулевую частоту вращения двигателя, если телеметрия ведется в режиме реального времени.
Когда вы поднимаете нижнюю часть, давление почти сразу падает обратно до P_off.
Немедленные действия:
Ослабьте нагрузку на долото или поднимите его, чтобы очистить долото. Не продолжайте настаивать на том, чтобы WOB «прорывался вперед».
При необходимости временно уменьшите расход, чтобы устранить остановку, затем восстановите базовую линию и вернитесь к оптимальному дифференциалу.
Распространите обрезки, чтобы гарантировать, что их упаковка не способствовала этому событию.
Предотвращение остановок событий:
Эксплуатируйте забойный двигатель вблизи рекомендованного верхнего расхода, но сохраняйте определенный запас по срыву.
Плавное применение WOB. Избегайте внезапных переносов тяжелых весов, особенно в переслаивающихся, кремнистых или узловатых образованиях.
Отслеживайте колебания свойств бурового раствора (скачки вязкости, содержание твердых частиц), которые увеличивают ΔP системы и без предупреждения сокращают запас прочности.
Используйте аналитику в режиме реального времени, где это возможно: приблизительные значения тока двигателя, оценки крутящего момента и показания оборотов помогут вам увидеть начало остановки раньше, чем человек сможет отреагировать только на датчик.
Оптимальное давление бурения
Оптимальное давление бурения – это золотая середина, при которой забойный двигатель обеспечивает максимально эффективную скорость проходки при минимально разрушительной дифференциальной нагрузке. Обычно оно находится чуть ниже точки срыва, обеспечивая баланс крутящего момента и оборотов без риска срыва. Хотя точная цель зависит от конструкции двигателя, типа долота и конструкции, практическое правило заключается в том, чтобы поддерживать ΔP_drill на 100–300 фунтов на квадратный дюйм ниже P_stall при выбранном расходе.
Как установить оптимум:
Определите P_off при целевом расходе.
Определите P_stall путем контролируемого изменения нагрузки на долото.
Выберите рабочий дифференциал ΔP_opt ≈ P_stall от – 100 до –300 фунтов на квадратный дюйм (регулируется в зависимости от рекомендаций поставщика инструмента и изменчивости пласта).
Преобразуйте ΔP_opt обратно в целевое значение стояка: P_target = P_off + ΔP_opt.
Бурите, поддерживая давление в стояке около P_target, регулируя нагрузку на долото и скорость вращения на поверхности, чтобы поддерживать постоянное ΔP при изменении пласта.
Почему это работает:
Силовая секция забойного двигателя преобразует гидравлическую мощность в скорость долота (об/мин) и крутящий момент. При остановке крутящий момент высокий, но обороты падают; намного ниже сваливания, обороты могут быть приличными, но крутящий момент недостаточен на более твердой породе. Оптимум находится чуть ниже сваливания, сохраняя как достаточный крутящий момент, так и полезные обороты.
Работа в верхних 70–85 % номинального расхода силовой секции одновременно увеличивает крутящий момент и число оборотов, повышая порог срыва и позволяя безопасно удерживать более высокий ΔP_opt.
Уточнение цели на основе данных:
Отслеживайте ROP в зависимости от ΔP_drill. Кривая скорости проходки обычно повышается с увеличением ΔP до точки перегиба непосредственно перед срывом, а затем выравнивается. Бежать на коленях.
Монитор MSE (механическая удельная энергия). Когда ΔP приближается к оптимальному, MSE должно уменьшаться, что указывает на эффективную передачу энергии. Увеличение MSE при более высоком ΔP означает, что вы просто боретесь с срывом без увеличения скорости проходки.
Используйте степень затупления и осмотр двигателя, чтобы убедиться: исправный статор и сбалансированный профиль износа фрезы указывают на соответствующий контроль ΔP; вздутие эластомера и сколы конуса/фрезы часто коррелируют с повторяющимися остановками или перегрузками.
Взаимодействие с гидравликой долота и выбор насадок:
Общая площадь потока сопла (TFA) задает скорость струи и влияет на давление в системе. При использовании забойного двигателя необходимо сбалансировать воздействие струи (очистка, ВВД) и доступное ΔP двигателя. Форсунки увеличенного размера снижают давление, но могут привести к снижению крутящего момента; Форсунки меньшего размера повышают давление в системе, уменьшая запас по срыву.
Оптимизируйте TFA так, чтобы при заданной производительности насоса вы могли достичь как достаточной гидравлической мощности долота, так и ΔP_opt чуть ниже срыва.
Стратегия расхода:
В пределах силовой части двигателя более высокий расход увеличивает частоту вращения и крутящий момент. Если вам нужен больший запас крутящего момента, не приближаясь к срыву, немного увеличьте расход, а затем повторно назначьте P_off и P_stall. Не думайте, что старая точка остановки все еще актуальна.
Остерегайтесь температурных воздействий: более сильный поток охлаждает эластомер, и это хорошо, но более глубокие и горячие отверстия все равно со временем повышают температуру статора, смещая зазоры и, следовательно, вызывая остановку.
Заключение
Эффективное бурение забойными двигателями заключается не только в более интенсивном включении насосов или повышении веса. Речь идет о точном контроле перепада давления. Привязывая свои операции к трем опорным давлениям — на забое, в точке срыва и на выходе из срыва — и намеренно устанавливая оптимальное давление бурения чуть ниже уровня срыва, вы преобразуете гидравлическую энергию в работу долота с максимальной эффективностью, одновременно защищая двигатель. Оставайтесь в верхнем окне потока двигателя, часто проверяйте запас по срыву по мере изменения глубины и условий грязи и используйте обратную связь на основе тенденций (ROP, MSE, крутящий момент, обороты в минуту), чтобы поддерживать систему в тонусе. Если все сделано правильно, вы увидите более высокую скорость проходки, более длительный срок службы двигателя, меньшее количество рейсов и более низкую стоимость за фут – все это результаты, которые важны для каждой скважины.
