Ученые ПНИПУ разработали устройство, которое впервые в мире позволяет бурить наклонные скважины без остановки
При разработке наклонных нефтяных скважин бурильная колонна вращается со скоростью до 250 оборотов в минуту, вибрирует и сотрясается от ударов долота. В этих условиях оптические гироскопы теряют точность, и для получения корректных показаний процесс приходится прерывать — на эти паузы уходит до 15% времени, а каждая остановка повышает риск «прихвата» колонны и аварийного выброса нефти. Существующие аналоги — пассивные демпферы (резиновые амортизаторы), которые гасят удары, но не борются с вращением, и кардановы подвесы, слишком громоздкие и ненадежные для узкой скважины, — проблему не решают. Именно поэтому ученые Пермского Политеха создали первое в мире устройство активной стабилизации, которое позволяет получать точные данные без остановки бурения, экономя до 15% времени и десятки миллионов рублей на объекте.
На изобретение получен патент.
Представьте бетономешалку, которая вращается на максимальной скорости, а внутри нее работает отбойный молоток. Примерно в таких условиях находятся навигационные приборы, которые следят за траекторией нефтяной скважины на глубине нескольких километров. Бурильная колонна — гигантская труба, которая уходит в недра, — никогда не стоит на месте. Она вращается со скоростью до 250 оборотов в минуту, вибрирует и содрогается от каждого удара долота, которое разрушает породу. Прямо над ним закреплены оптические гироскопы — от них зависит, попадет скважина в нефтеносный пласт или пройдет мимо, потратив миллионы рублей впустую. Однако при такой вибрации любой, даже самый точный датчик начинает выдавать искаженные данные. Его показания становятся хаотичными и бесполезными — как попытка читать книгу при сильной тряске.
Особенно остро эта проблема стоит при бурении наклонных скважин. Сегодня нефтяники в основном используют такие стволы — они уходят не строго вниз, а под углом, как игла, которая входит в ткань наклонно. Чтобы не промахнуться мимо цели, приходится прерывать процесс бурения для получения показаний системы ориентации. На эти остановки в сумме уходит до 15% всего времени бурения. Но паузы опасны не только потерей темпа. Когда колонна стоит, резко возрастает риск так называемого «прихвата» — она может намертво застрять в осыпавшейся породе. А если вдобавок происходит потеря контроля над скважиной и неконтролируемый выброс нефти или газа, это грозит пожаром, разрушением буровой установки и загрязнением земли и грунтовых вод на многие километры вокруг.
Существуют и другие решения. Например, пассивные демпферы (резиновые амортизаторы), они смягчают удары, но не борются с вращением. Это как поставить чашку на коврик: при тряске стола она не разобьется, но прыгать не перестанет. Ошибка накапливается, и через 10–15 минут датчики снова искажают данные.
Второе решение — кардановы подвесы. Это система вложенных друг в друга рамок, как матрешка: внешняя крутится вокруг одной оси, внутренняя — относительно другой, самая маленькая — вокруг третьей. В центре — платформа с приборами. В авиации это нужно, чтобы гироскопы оставались неподвижными при любых маневрах самолета. Однако в буровом канале эта конструкция оказалась непрактичной. Она занимает слишком много места (диаметр скважины всего 15–20 см). Ее шарниры и подшипники изнашиваются от трения, забиваются породой, сами вибрируют и передают тряску на платформу, снижая точность.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали первое в мире устройство активной стабилизации навигационной платформы, способное работать в условиях бурения с вращением колонны без остановки. Это позволяет сократить потери времени на 15%. Для скважины, которую бурят в среднем 30 дней, экономия — 4–5 дней, или десятки миллионов рублей на одном объекте.
— Основное преимущество устройства — оно само гасит вращение. Внутри бурильной трубы на специальных мягких прокладках (демпферах) подвешен электродвигатель. На его корпусе закреплена платформа с навигационными приборами — гироскопами и акселерометрами, то есть датчиками вращения и ускорения. Как только они регистрируют, что колонна начала вращаться, двигатель тут же начинает крутить платформу в обратную сторону, причем с той же скоростью. В итоге она остается неподвижной, пока выполняется вращение бурильной колонны, — рассказал Виталий Прохоров, ассистент кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ.
Дополнительное новшество — в устройстве стоят не один, а два мягких демпфера. Один крепится к валу двигателя, второй — к подшипниковому узлу. Благодаря этому гасятся не только удары вдоль оси скважины, когда долото создает удары в осевом направлении, но и боковая тряска — а она особенно сильно сбивает показания гироскопов. Кроме того, в системе используются оптические датчики вместо механических. В них нет трущихся деталей, поэтому они не изнашиваются от вибраций и пыли и работают гораздо надежнее.
— В устройстве три волоконно-оптических датчика. Два отвечают за измерения углов наклона вдоль продольной оси, третий – вдоль ортогональной. Дополнительно в составе конструкции находится прибор вращения и датчик направления силы тяжести, который помогает при бурении скважины на наклонных участках. Система управления двигателем мгновенно обрабатывает все сигналы и подает команду механизму противовращения для стабилизации платформы телеметрической системы внутри вращающейся бурильной колонны, — пояснил Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.
Следовательно, устройство позволяет получать точные показания о направлении скважины без остановки бурения. Это снижает риск прихвата колонны и экологических аварий. Система сокращает потери времени примерно на 15%. Если бурение наклонной скважины обычно занимает около 30 дней, то экономия составит 4–5 дней. А в деньгах, с учетом стоимости буровой установки и персонала, это десятки миллионов рублей на одном объекте. Ведь чем быстрее процесс, тем ниже себестоимость добычи. А значит, меньше закладывается в цену нефти и газа.
Устройство подходит для любых наклонно-направленных скважин — как на суше, так и на шельфе. Его применение позволит нефтегазовым компаниям бурить быстрее и безопаснее, а значит — снизить себестоимость добычи. Это, в свою очередь, сдерживает рост цен на топливо для конечного потребителя. Кроме того, разработка открывает новые возможности для автоматизации бурения и геонавигации в реальном времени там, где раньше приходилось постоянно останавливаться и рисковать.
