Новый ример Herrenknecht Full Face Hole Opener для расширения скважины за одну проходку

15 декабря 2016 года

После нескольких лет разработок компании Herrenknecht AG запуск первого бурового инструмента для работы в скальном грунте состоялся в 2015 году. До этого момента в отрасли горизонтального направленного бурения (ГНБ) имя компании Herrenknecht AG ассоциировалась в основном с буровыми установками класса Мега с тяговым усилием от 150 до 600 тонн. Много лет Herrenknecht AG производила только наземное оборудование, являющееся частью комплекса ГНБ — буровые установки, насосы высокого давления, шламовые насосы, бентонитовые фильтры, гидравлические ключи и пр. Для оптимального результата в бурении Herrenknecht AG начала разработку и производство собственного внутрискважинного инструмента, который является ключевым компонентом технологии ГНБ и решающим фактором эффективной реализации проекта.

Начав работу в сегменте породорозрушающего инструмента, компания Herrenknecht AG систематически внедряла свои собственные ноу-хау. За годы производства рабочих органов для механизированного тоннелепроходческого оборудования (более 3000) компания получила огромный опыт в области режущего инструмента. Хороший и надёжный режущий инструмент имеет ключевое значение для любого вида рабочего органа при работе в скальном грунте. Диапазон типов режущих фрез, которыми оснащается рабочий орган тоннеллепроходческого щита, крайне велик, так как зависит от множества факторов. Взять хотя бы размер рабочего органа. Он варьируется от 0,5 до 19 метров в диаметре. Задачи применения режущего инструмента в горизонтальном и вертикальном бурении различны. Область применения варьируется от мягкой скалы до твёрдой. Иногда работа ведётся в отсутствии грунтовых вод, и рабочий орган вращается «на сухую». А иногда давление грунтовых вод достигает 50 атмосфер на сальнике фрезы. Правильный выбор режущего инструмента в соответствие со всеми вышеперечисленными факторами и условиями проекта имеет решающее значение для успеха.

При разработке нового инструмента для ГНБ компания Herrenknecht AG опиралась на опыт экспертно-консультационного центра по производству режущих фрез, или как мы привыкли называть их в ГНБ — шарошек, в г. Самнер, штат Вашингтон, США. Совместно с научно-исследовательским департаментом из штаб-квартиры Herrenknecht AG в Германии специалисты внимательно изучили буровой инструмента для ГНБ. Результатом совместной работы стал новый ример-расширитель, не требующий больших инвестиций и минимизирующий строительные риски при бурении в скальном грунте. 

Расширение сегодня

Расширение буровой скважины в скальном грунте методом ГНБ сопряжено с такими рисками или техническими проблемами, как:

  1. Обрыв буровой колонны непосредственно перед буровым инструментом или позади него по причине непрерывного изгибающего напряжения на резьбовое соединение. Многократное изгибающие напряжение вызвано смещением оси буровой колонны и оси скважины в следствие отсутствия центратора на каждом из этапов расширения.  
  2. Поломка шарошек и короткое время службы инструмента из-за большой силы, передаваемой на шарошки, которые изначально были спроектированы для скважин гораздо меньшего диаметра и длины.
  3. Высокий износ шарошек и всей конструкции режущего инструмента.
  4. Потеря бурового раствора через трещины в пласте, вызванная чрезмерным давлением внутри скважины.
  5. Во время технического обслуживания инструмента или замены шарошек в скважине может скапливаться большое количество бурового шлама. В результате при укладке трубопровода возрастает коэффициент трения, что может вызвать обжатие.
  6. Короткий срок службы римера-расширителя без сменных шарошек. В результате каждый раз, когда шарошки изношены или у них поврежден подшипник, необходимо менять расширитель на новый.
  7. При строительстве длинных скважин на буровую колонну со штанг передается напряжение от крутящего момента, которое может высвобождаться рывками. Это называется эффектом торсионной пружины. Как правило, это приводит к обрыву буровой колонны или срыву резьбового соединения. Кроме того, могут развиться высокая скорость движения режущего инструмента внутри скважины и большие нагрузки.
  8. Риск обрушения скального грунта в скважине.
  9. Из-за неправильной центрации инструмента на разных этапах расширения итоговая скважина может получиться неправильной грушевидной формы, что негативно скажется при протягивании трубопровода.

Чтобы снизить существующие риски, повысить производственные и экономические параметры, была начата разработка нового инструмента с учетом выше описанных рисков. Сначала был определен ключевой диапазон рабочих диаметров новых расширителей — от 762 мм и выше для расширения пилотной скважины диаметром преимущественно 254 мм или 305 мм. В идеале подрядчик должен использовать буровые штанги 6-5/8" или 7-5/8". Для небольших диаметров возможно применение штанг 5-1/2".

Наиболее распространенным способом расширения пилотной скважины в скальных грунтах является последовательное расширение в несколько этапов. Количество расширений и их диаметры определяются подрядчиком. Но благодаря последним разработкам компании Herrenknecht AG, шаг расширения скважины может теперь составить от 381 до 457 мм. Например, пилотная скважина диаметром 216 мм может быть расширена до 610 мм за первую проходку, и до 915 мм за вторую. Чем больше диаметр расширенной скважины, тем меньше последующий шаг расширения. В то время, как при использовании традиционного инструмента шаг каждого расширения, как правило, составляет только 100-152 мм.

С увеличением диаметра скважины становится сложнее центрировать ример-расширитель. Каждая нарощенная штанга продавливает инструмент вниз. Помимо этого, во время расширения на больших диаметрах основным нагрузкам подвергаются только небольшие части шарошек. В результате нагрузка на подшипники передаётся неравномерно, что приводит к их износу. При расширении на большие диаметры, стенка скважины может обвалиться, поэтому необходим инструмент с небольшой рабочей поверхностью (радиусом 2-3 дюйма). Обвалившийся кусок, как правило, бывает громоздким, и не выносится с потоком пульпы. Он попадает в зону переднего центратора римера и не может быть вынесен. Такие обломки скальной породы скапливаются в зоне центратора, измельчаются по ходу бурения, изнашивая инструмент. 

[+dr.title+]

Традиционный расширитель Hole Opener диаметром 1625 мм с двойным передним центратором в виде римеров типа Barrel

Шарошки большинства традиционных расширителей приварены к телу. Это означает, что их замена не предусмотрена производителем. Срок службы всего режущего инструмента зависит от срока службы подшипников и от степени износа шарошек. Многие производители рекомендуют производить оценку состояния подшипников каждые 80-120 часов. Как правило, реальный срок службы подшипников не превышает 150 часов.

В процессе строительства скважины по технологии ГНБ наращивание и подъём буровой колонны происходит с разной скоростью в зависимости от условий. Чем длиннее ствол скважины, тем больше времени занимает демонтаж инструмента. Техосмотр или замена инструмента могут занять до двух полных рабочих смен. Чем дольше срок службы инструмента, тем больше экономия времени и денег.

Для оптимизации скорости бурения в неоднородных грунтах с включениями пород разной твёрдости, рекомендуется применять расширитель со сменными шарошками для грунтов разной прочности. Используя инструмент с несъемными (приваренными) шарошками, необходимо иметь несколько римеров-расширителей с шарошками разной прочности для разных слоёв.

На сегодняшний день, ключевым инструментом для бурения в скальных грунтах являются расширители с шарошками типа TCI (с победитовым покрытием) и типа МТ (c фрезерованными зубьями). В некоторых случаях применяются шарошки типа PDC с алмазными поликристаллическими резцами. Несмотря на то, что последние гарантируют высокий уровень устойчивости к износу, их применение не столь универсально по сравнению с шарошечными расширителями типа TCI и MT, особенно в неоднородных трещиноватых грунтах, когда инструмент забивается и быстро вырабатывает свой ресурс. С другой стороны, инструмент типа PDC имеет преимущество статического инструмента без подшипников в конструкции, которые необходимы для шарошечного (динамического) инструмента.

Новый ример-расширитель Herrenknecht Full Face Hole Opener (FFHO)

С новым инструментом Herrenknecht вместо нескольких этапов расширения скважины для получения итогового диаметра, необходимо только одно расширение одним римером. Это стало возможным, прежде всего, благодаря идеальной центрации инструмента в скважине. Это снижает отклонение римера FFHO от заданной траектории и вероятность излома штанги в результате перегиба. Конструктивные особенности нового римера FFHO не требуют увеличения крутящего момента для обеспечения заданной скорости проходки и, соответственно, не требует вложений в приобретение усиленных буровых штанг. 

[+dr.title+]

Новый расширитель Full Face Hole Opener

Чем меньшее количество расширителей используется, тем меньше количество операций по смене штанг и бурового инструмента. Прежде всего, это сокращает время эксплуатации инструмента. Первый опыт применения нового бурового инструмента на объекте показал, что сам процесс бурения также занимает меньше времени. Основной фактор — это четкое центрирование, которое гарантирует стабильную соосность буровой колонны.

Поскольку необходим только один ример, сумма первоначальных инвестиций снижается по сравнению с обычным буровым инструментом. Замена шарошек на площадке происходит просто и быстро. Один ример-расширитель может быть вооружён различными типами шарошек — TCI или MT. Замена одной шарошки для конкретных геологических условий занимает в среднем 20 минут.

Шарошки, разработанные на заводе Herrenknecht недалеко от Сиэтла в США, почти в два раза более ударопрочные, чем обыкновенные шарошки на рынке. Благодаря большей допустимой нагрузке на подшипники, обеспечивается более высокая скорость бурения. Разработчики Herrenknecht создали новый стандарт в отношении срока службы подшипников шарошек. Первый интервал техобслуживания — 200 рабочих часов — это примерно на 100 часов больше интервала обслуживания шарошек предыдущего поколения. Как правило, шарошки могут быть полностью восстановлены, пока не износятся твёрдосплавные вольфрамовые элементы (вставки), и пока позволяет износ тела самой шарошки. Если персонал клиента прошёл обучение по обслуживанию бурового инструмента Herrenknecht, и у клиента имеются специальные инструменты, восстановление шарошек может быть произведено самим клиентом.

[+dr.title+]

Различные типы шарошек нового римера-расширитель Full Face Hole Opener

Износостойкая конструкция тела римера-расширителя FFHO разработана и производится компанией Herrenknecht AG на заводе в Германии, город Шванау. В производстве высокотехнологичного римера используются все доступные ноу-хау механической обработки и сварочных технологий. Главная идея заключается в том, что основная изнашиваемая часть — это не тело римера, а сменные шарошки. Один ример-расширитель может быть оснащён несколькими комплектами шарошек — поэтому такой инструмент прослужит долго. В отличие от традиционных шарошечных расширителей, при разработке римера FFHO особое внимание было уделено оптимизации выноса обломков выбуренной породы за счёт конструкции инструмента. Это помогает свести к минимуму износ как шарошек, так и рабочего органа расширителя.

Первый опыт применения нового римера-расширителя FFHO на рабочей площадке был частью многолетней тестовой программы совместно с Североамериканской компании «Laney Directional Drilling». Для этих работ, в конце 2013 компания Herrenknecht AG поставила ример диаметром 1220 мм.

Проект 1 (г. Индепенденс)

Первый проект «Переход через реку Вердигрис», расположенный вблизи города Индепенденс, штат Канзас, США, — это участок Южного трубопровода Фланаган. Трубопровод проходит параллельно существующему трубопроводу Шепард из г. Понтиака, штат Иллинойс в г. Кушинг, штат Оклахома. Назначение трубопровода — транспортировка нефти.

[+dr.title+]

Трубопровод в Индепенденс должен был быть проложен под рекой Вердигриз методом ГНБ. Заказчиком работ по бурению скважины диаметром 1220 мм и протяженностью 536 м для прокладки стального продуктопровода диаметром 915 мм

 была компания «Enbridge», а буровым подрядчиком «Laney Directional Drilling», Хьюстон, штат Техас.

Трасса трубопровода пролегала в различных типах грунтов — в относительно тонком горизонтальном слое сланца, а также в известняке. Скальные породы каждого слоя сильно варьировались по твёрдости, от очень низкой и средней прочности на одноосное сжатие до 108 МПа. Верхний слой около 7 метров из мягкого грунта переходил в сланцевый горизонт, а затем в более твердый известняк. Геологические данные были получены из двух вертикальных скважин, пробуренных на глубину 40 метров по обе стороны реки.

Горизонтальная скважина была пробурена установкой ГНБ с тяговым усилием 3000 кН, разработанной и построенной непосредственно самой буровой компанией. Рабочая площадка была оснащена ёмкостями с буровым раствором по обе стороны реки для возможности подачи бурового раствора с обоих берегов. Рабочая производительность насоса высокого давления и системы регенерации составила 4000 л/мин.

Для строительства перехода использовались штанги 6-5/8", S-135. Максимальный крутящий момент для этих штанг, около 80 000 Нм, не был превышен во время работы.

Пилотная скважина была пробурена винтовым забойным двигателем с трёхшарошечным долотом TCI диаметром 12-1/4”. Глубина выхода в горизонт составила около 30 метров, рассчитанный радиус изгиба был установлен в 1100 м. Основной сложностью было поддержание направление бурения, поскольку угол бурения при переходе из сланцевого слоя в известняковый был очень мал. Переход из более мягкого в более твердый грунт — непростая задача, которая имеет порой решающее значение. После пилотной скважины расширение римером Herrenknecht FFHO до 1220 мм было выполнено за одну проходку. Расширитель был оснащён шарошками TCI для особо прочных скальных пород. А центратор диаметром 1194 мм, установленный позади расширителя, обеспечил соосность хода римера.

Во время тестового бурения было проведено исследование поведения шарошек, предназначенных для грунтов средней жесткости, в мягких породах. Еще одной задачей было выяснить, каким образом происходит засор римера осколками твёрдых пород, и как быстро его можно ликвидировать. Максимальное значение прочности горных пород достигло 108 МПа. Граница рабочих показателей прочности между шарошками TCI и MT составляет примерно 80-100 Мпа. Для грунтовых условий прочностью выше данной границы применяются шарошки TCI, если ниже, то MT.

В верхних слоях сланцевых пород было установлено, что сланец под давлением ведет себя аналогично глине, смешанной с водой. В этих зонах время расширения скважины на одну штангу (R2 9,6 м) составило от 4 ч 10 мин до 5 ч 40 мин. Увеличение крутящего момента из-за повышенного трения на римере было очевидно. На этом этапе буровая компания экспериментировала со специальными полимерами, чтобы снизить налипание грунта на ример. В некоторых зонах это привело к увеличению скорости бурения.  

В следующей зоне сланец сменился на известняк, и время прохождения одной штанги снизилось до интервала от 3 до 4 часов.

Большая часть горизонтального участка скважины проходила в основном через известняк. Максимальная скорость проходки в этой зоне составила от 2,5 до 3 часов на штангу. Рабочая производительность бурового насоса составила около 3500 л/мин. Вязкость бурового раствора была в основном ниже 60 MV. Увеличение вязкости было отчетливо заметно на ситовых панелях в виде возросшего выхода. Было проведено два технических осмотра римера и обнаружено следующее. Грунт, который, как правило, скапливается на теле римера традиционной конструкции и деформирует его, размалывается специально разработанным скребком римера FFHO и выносится потоком бурового раствора без необходимости увеличения крутящего момента.  

[+dr.title+]

Расширитель Full Face Hole Opener диаметром1220 мм, оснащённый шарошками TCI и задним центратором диаметром 1194 мм

Протяжка трубопровода прошла без осложнений при небольшом тяговом усилии менее 300 кН, что говорит о хорошо очищенной скважине правильной формы. Среднее время расширения одной штанги в скальных грунтах составило 3 часа, среднее время расширения одной штанги по всей дистанции — 3 ч 30 мин. Если принять во внимание, что был установлен инструмент с фрезами для скальных пород, но основная часть проходки велась в относительно мягких породах прочностью менее 50 МПа, то показатели времени бурения можно считать успешными. После завершения проекта шарошки, которые использовались в течение 197 рабочих часов, были отправлены в Сиэтл для техосмотра. На шарошках и победитовых зубьях износ был небольшой, а вот сальники и подшипники были заменены на новые для дальнейшей безопасной работы. Тело римера также было изношено незначительно. Чтобы отложить полную замену переднего сменного центратора римера, на него была нанесена твердосплавная наплавка для работы на следующей скважине.

Проект 2 (г. Кливленд)

Второй проект называется «Переход через реку Арканзас», это другой участок Южного трубопровода Фланаган, о котором говорилось выше. Траектория скважины длинной 920 м и диаметром 1220 мм под рекой Арканзас пролегала близ небольшого города Кливленда, штат Оклахома.

Местная геология представляла собой преимущественно песчаник в сочетании со слоями сланца и известняка. Слои скального грунта с показателем прочности пород 50-60 мПа считаются умеренно проходимыми. Это означает небольшой риск нестабильности скважины, связанный с обрушением скальной породы со стенок и засором ствола скважины. Максимальная прочность породы оказалась не самая высокая — 55 Мпа, но слои сланца создают риск налипания грунта на рабочий орган римера-расширителя. Точка входа выше точки выхода на 40 метров — это значит, что примерно через 230 метров бурения скважина будет сухая. Горизонтальное наслоение различных пород означает, что горизонтальный участок скважины, проходящий через песчаник, будет длиннее по сравнении с предыдущим проектом.  В результате было решено, что песчаник — наилучший слой для траектории скважины из-за его высокой стабильности. До старта проекта были опасения, что из-за высокого содержания кварца в песчанике, порода окажется абразивной для бурового инструмента.

Инструмент использовался тот же, что и в первом проекте. Пилотная скважина была пробурена трёхшарошечным долотом диаметром 12-1/4” с низкого берега на высокий. Время бурения пилотной скважины одной штангой редко превышало 45 минут.

После строительства пилотной скважины установка ГНБ была перемещена на высокий берег и соединена с расширителем FFHO диаметром 1220 мм, расположенном на низком берегу. Из-за низкой прочности песчаника и известняка было решено оснастить ример FFHO шарошками типа MT. Как правило, в таких грунтах более высокая скорость бурения может быть достигнута при использовании шарошек типа MT по сравнению с TCI. Это связано с высотой зубьев и победитовых элементов. Шарошки типа MT теоретически позволяют более чем в 2,5 раза повысить скорость проходки на каждый оборот инструмента. 

[+dr.title+]

Расширитель Full Face Hole Opener диаметром1220 мм, оснащённый шарошками TCI и задним центратором диаметром 1194 мм

Время расширения одной штанги в пласте вязкого сланца не превысило 4 ч 40 мин. Среднее время расширения этих участков составило 2 ч 30 мин на штангу. Самая высокая скорость была достигнута при расширении в песчанике — 1 ч 20 мин. Среднее время расширения одной штанги на всем расстоянии составило 1 ч 35 мин. Как и в первом проекте, на участках с менее вязким грунтом работа с относительно низким крутящим моментом была эффективнее даже при максимальном воздействии на одну шарошку в 200 кН (1200 кН на весь буровой инструмент). Модифицируя конфигурацию 20 разных форсунок на режущем органе, было достигнуто приемлемое время бурения в вязких грунтах.  

Протяжка трубопровода прошла без сложностей с тяговым усилием менее 500 кН. Несмотря на участки абразивного песчаника, износ тела рабочего органа римера-расширителя оказался умеренным. Тем не менее, после второго проекта передний и задний центраторы подлежали замене. Шарошки MT тоже достигли лимита износа, поэтому не могли более использоваться. Переход под рекой доказал эффективность применения шарошек типа MT и нового римера-расширителя, который обеспечил правильную форму скважины. Также очевидным оказался всем известный факт, что форсунки играют важную роль в отношении риска налипания грунта на инструмент.  

(843) 278-86-46 Казань, ул. Турбинная, 3 info@unirus.ru