При бурении долотом из поликристаллического алмаза PDC было выявлено два типа вибраций. Если торсионная вибрация вызвана режущим действием долота, способы снижения вибраций должны быть сосредоточены на конструкции долота и эксплуатационных параметрах, нагрузке на долото и скорости вращения долота (об/мин), чтобы уменьшить крутящий момент на долоте и уменьшить глубину резания породы вооружением долота. И наоборот, если торсионная вибрация вызвана трением, методы снижения вибраций должны быть сосредоточены на изменении конструкции КНБК и бурильной колонны или профиля скважины. Следовательно, очень важно определить, вызвана ли торсионная вибрация силой трения элементами, режущим действием долота или и тем и другим. Однако до сих пор не было предпринято никаких попыток определить разницу между торсионной вибрацией, вызванной режущим действием и вызванной трением [1][2][5][6].

В нефтяной промышленности идут споры относительно того, влияет ли агрессивность режущей структуры долота PDC на торсионную вибрацию. Агрессивность долота PDC напрямую связана с тем, насколько быстро и как долго долото может бурить. Следовательно, для отрасли важно иметь четкий ответ на вопрос, влияет ли агрессивность долота на возникновение торсионных вибраций при бурении?

Возникновение скачкообразной вибрации при бурении зависит не только от долота, но и от условий бурения и систем бурения [3]. Факторы, которые влияют на возникновение торсионной вибрации, включают: тип породы, тип скважины, прилагаемую нагрузку на долото и скорость вращения долота, тип двигателя, тип роторной управляемой системы, конструкцию бурильной колонны и конструкцию долота [7][12][19]. В рамках данного анализа усилия были сосредоточены только на влиянии агрессивности долота на вызываемую режущим действием долота торсионную вибрацию [4].

Из анализа различных моделей выявлены три типа вызванных трением торсионных вибраций: вызванное трением бурильной трубы (псевдо), вызванное трением КНБК и вызванное трением долота [8].

Торсионная вибрация, вызванная трением бурильной колонны (псевдо), изображает типичное прерывистое вращение бурильной трубы, вызванное трением, при котором скорость вращения долота отлична от нуля в фазе подлипания. Этот тип вибрации называется «псевдо» [13][17]. Псевдоторсионная вибрация часто наблюдается в горизонтальных скважинах, пробуренных с помощью двигателя. Вовремя бурения скорость вращения долота равна сумме скорости вращения шпинделя двигателя и скорости вращения бурильной трубы. Важной характеристикой является то, что поперечная вибрация почти одинакова в фазах прилипания и скольжения. Другими словами, нет никакой связи между осевыми и торсионными вибрациями. Этот факт указывает на то, что торсионная вибрация вызвана трением, а не режущим действием долота.

Торсионная вибрация, возникающая из-за трения КНБК со стенкой скважины, представляет собой типичную торсионную вибрацию КНБК, вызванную трением КНБК о стенки скважины, при котором долото свободно вращается над забоем и не режет породу. Между осевыми и крутильными колебаниями нет корреляции. Этот факт указывает на то, что торсионная вибрация вызвана именно трением, а не режущим действием долота. Чтобы долото вращалось, приложенный к долоту крутящий момент должен преодолевать силу трения, действующую на КНБК, и реактивный крутящий момент от режущего действия долота. Во многих случаях как трение, так и режущее действие способствуют возникновению торсионной вибрации на долоте [14].

Таким образом, возникающие торсионные вибрации, которые включают в себя все вышеперечисленные типы вибраций (бурильной колонны, КНБК, долота), имеют две общие характеристики: осевая вибрация возникает как в фазе залипания, так и в фазе скольжения; нет связи между осевыми и торсионными колебаниями. Эти две характеристики используются, чтобы определить, вызвана ли вибрация силой трения.

Во многих ситуациях сложно отделить торсионную вибрацию, которая возникает в результате резания породы долотом, от торсионной вибрации, вызванной трением. Фазу подлипания можно разделить на три части [18].

Реактивный крутящий момент долота отвечает за возникновение торсионной вибрации во время резания породы. Чтобы понять влияние агрессивности долота на торсионную вибрацию на долоте, необходимо понимать взаимосвязь между крутящим моментом долота и агрессивностью долота [16]. Как показано на рисунке 1, соотношение между нагрузкой на долото (WOB) и скоростью проходки (ROP), а также нагрузкой на долото (WOB) и крутящим моментом на долоте (TOB) даны для двух долот — долота A и долота Б соответственно. Оба долота A и Б имеют одинаковый размер. Из отношения «нагрузка на долото/скорость проходки», можно увидеть, что долото Б более агрессивное, чем долото A, потому что долото Б бурит быстрее. Однако для той же нагрузки на долото долоту Б требуется больший крутящий момент. Другими словами, более агрессивное долото Б требует большего крутящего момента, чем менее агрессивное долото A, если к долоту применяется заданная нагрузка на долото. Следовательно, более агрессивное долото будет c большей вероятностью вызывать торсионные вибрации, чем менее агрессивное долото при той же нагрузке на долото. Это явление наблюдалось в работах [9—11][15]. В их испытаниях более агрессивное и менее агрессивное долото использовались для бурения участка горной породы на глубину до 15 м при заданной нагрузке на долото и частоте вращения. Для каждого долота была построена карта стабильности в пространстве (нагрузка на долото — скорость вращения) путем изменения нагрузки на долото и скорости вращения соответственно. При той же нагрузке на долото более агрессивное долото было более склонным вызывать торсионные вибрации. Однако они также подтвердили, что изношенное долото (менее агрессивное) вызывает значительно большую торсионную вибрацию, чем новое долото (более агрессивное). Было отмечено, что менее агрессивное долото, которое имело ограничители глубины внедрения резцов (долото с DOCC), могло способствовать снижению торсионной вибрации.

С другой стороны, для той же скорости проходки (ROP) более агрессивное долото Б требует меньшей нагрузки на долото (WOB) и меньший крутящий момент на долото (TOB). По сравнению с долотом A долото Б требует только 55% нагрузки на долото и 60% крутящего момента на долоте при заданной скорости проходки. С этой точки зрения более агрессивное долото с меньшей вероятностью вызовет торсионные вибрации.

В бурении всегда необходим поиск максимальной скорости проходки путем изменения нагрузки на долото при заданных условиях бурения. Бурильщики склонны давать большие нагрузки на долото при бурении с менее агрессивным долотом, чем при бурении с более агрессивным долотом, чтобы обеспечить планируемую или большую скорость проходки. Если пласт можно пробурить с помощью как более агрессивного долота Б, так и менее агрессивного долота A, то для любой ожидаемой скорости проходки более агрессивное долото требует гораздо меньшей нагрузки на долото (WOB) и крутящего момента (TOB). Следовательно, более агрессивное долото будет в меньшей степени создавать торсионные вибрации. Этот факт объясняет, почему изношенное долото PDC было более склонным вызвать торсионные вибрации.

Таким образом, можно сделать вывод, что более агрессивное долото менее склонно к возникновению торсионных вибраций по двум причинам: меньший реактивный момент долота для заданной скорости проходки и меньшая требуемая нагрузка на долото при заданной скорости проходки.

Оценка эффективности бурения долота DE (drilling efficiency) определяется как:

(1)

(2)

где Es — удельная энергия (МПа), А — площадь поперечного сечения скважины, пробуренной долотом (см2), σrock — прочность породы на сжатие (МПа), RPM — скорость вращения (об/мин).

В уравнении (2) первый член, WOB/A, очень мал по сравнению со вторым членом, и поэтому им можно пренебречь. Другими словами, следующий набор данных — RPM, ROP, TOB вносит основной вклад в Es. В результате DE (эффективная буримость долота) обратно пропорциональна TOB для заданных оборотов вращения и прямо пропорциональна ROP и σrock. Более агрессивная режущая структура может привести к меньшему крутящему моменту и, как следствие, большей оценке DE. Обычно DE — это функция глубины резания.

Во многих ситуациях сложно отделить торсионную вибрацию, которая возникает в результате резания породы долотом, от торсионной вибрации, вызванной трением. Рисунок 2 изображает типичный пример торсионной вибрации, вызванной как силой трения, так и режущим действием долота. Фазу подлипания можно разделить на три части. В первой и третьей секциях присутствуют осевые и радиальные вибрации, что указывает на то, что торсионная вибрация в этих частях вызвана трением. Во второй секции отсутствуют осевые или радиальные вибрации, что указывает на то, что торсионная вибрация в этой секции вызвана режущим действием долота. Очевидно, что этот тип торсионной вибрации вызывается как трением, так и режущим действием.

Рис. 2. Торсионная вибрация на долоте, вызванная трением и режущим действием долотаFig. 2. Stick/slip vibration on the bit caused by friction and the cutting action of the bit

Рисунок 3 показывает другой пример гибридной торсионной вибрации, вызванной сначала трением бурильной трубы (псевдо), а затем резанием породы долотом. В этом случае возникает псевдоторсионная вибрация, вызванная трением, за которым следует торсионная вибрация, вызванная режущим действием долота.

Среднее значение DE можно использовать для определения того, является ли агрессивность вооружения достаточной для уменьшения торсионной вибрации долота PDC, вызванной режущим действием. Агрессивность режущей структуры долота PDC может быть представлена средней оценкой DE. На рисунке 4 изображена корреляция между вычисленным средним значением DE долота и возникновением торсионной вибрации, вызванной режущим действием долота. Пунктирная вертикальная линия представляет критическое значение DE долота (DE = 45%). Для долот со значениями DE, превышающими 45%, торсионные вибрации, вызванные режущим действием долота, не возникали. Другими словами, если долото спроектировано с DE более 45%, то при бурении не должны возникать торсионные вибрации, вызванные режущим действием долота. Следовательно, долото должно быть спроектировано с DE не менее 45% для уменьшения торсионной вибрации, вызванной режущим действием долота.

Рисунок 5 показывает корреляцию между рассчитанной DE долота и торсионной вибрацией, вызванной трением КНБК и резанием породы долотом. Пунктирная вертикальная линия представляет критическое значение DE долота (DE = 51%). Как видно из рисунка, торсионных вибраций для долот с DE более 51% не наблюдалось, за исключением одного случая, которым можно пренебречь и его исключить. Другими словами, если долото спроектировано с DE более 51%, при бурении маловероятно возникновение торсионной вибрации, вызванной трением и режущим действием долота. Следовательно, долото PDC должно быть спроектировано с DE не менее 51% для уменьшения торсионных вибраций, вызванной силой трения и режущим действием долота.

Как описано выше, долота с большим значением DE помогают уменьшить торсионную вибрацию. Более высокие значения DE означают более высокую агрессивность. Общие правила повышения агрессивности долота PDC включают: уменьшение количества лопастей; уменьшение количества резцов; увеличение размера резцов; уменьшение угла атаки резца; уменьшение размера фаски резца.

Режущая структура (основные и дублирующие резцы) долота PDC должна быть спроектирована так, чтобы быть максимально агрессивной при ограниченной глубине внедрения зубцов в породу. Единственным ограничением в этом отношении является долговечность долота при бурении твердых пород. После того, как будет достигнута ограниченная глубина внедрения зубцов в породу, DOCC (depth-of-cut controller) должна начать контактировать с пластом, чтобы избежать чрезмерного зацепления резца с породой.