Рассмотрен процесс разработки усовершенствованной конструкции щелевого фильтра, позволяющего повысить эффективность спуска в скважины с большим отходом от вертикали, а также повысить эффективность добычи углеводородов в сложных горно-геологических условиях. Разработан и представлен альтернативный способ производства.
В 2018 г. доля трудноизвлекаемых запасов (ТрИЗ) углеводородов на территории России достигла значения 65% от общего объёма разведанных ресурсов и имеет тенденцию ежегодного увеличения.
Доля высокотехнологичного бурения составляет более 50%. Длина горизонтального ствола скважины, проходящего по нефтенасыщенному участку выросла с 65 до 90%.
Известно, что прирост запасов нефти и газа возможен в случае повышения коэффициента извлечения нефти или за счёт открытия новых разведанных месторождений. Однако современное смещение приоритетов в сторону наращивания и освоения сложных скважин требует применения новых оборудования и технологий, направленных на повышение эффективности их эксплуатационных характеристик.
Появляется необходимость в осуществлении горизонтального и многоствольного бурения.
Сложность освоения труднодоступных территорий, таких как Арктический шельф, предусматривает бурение скважин с морской платформы, либо с береговой линии. Как правило, проектный профиль таких скважин имеет протяжённую длину по стволу, достигающую отметки 12 и более километров. При этом длина наклонных и горизонтальных участков скважины составляет от 4 до 9 километров.
Строительство горизонтальных скважин сопровождается значительными капитальными затратами и рисками на всех этапах их сооружения. При бурении и заканчивании таких скважин возникают осложнения и аварии, обусловленные силами трения и неконтролируемостью напряжённо-деформированного состояния (НДС) бурильного инструмента и обсадных колонн во время их вращения и спуско-подъёмных операций. К наиболее частым осложнениям относятся посадки хвостовика-фильтра в процессе его спуска в скважину и недохождение до проектной глубины. Данные осложнения могут быть вызваны неконтролируемостью геомеханических процессов в скважине, обусловленных деформациями горных пород.
Конструкция хвостовика предусматривает наличие фильтра, устанавливаемого непосредственно в зоне продуктивного интервала. Причём прочностные характеристики фильтра на 15-20 % ниже основной части хвостовика [1]. Хвостовик может соединяться с фильтром жёстко силовым переводником, либо с помощью вертлюга. Вертлюг позволяет производить вращение всего хвостовика при неподвижной фильтровой части. При движении фильтра без вращения, увеличивается вероятность продольной деформации, момента изгиба и скручивающих напряжений, обуславливающих появление критических усталостных разрушений, превышающих предел текучести материала элементов фильтра. Нарушение целостности конструкции (повреждение фильтра) может привести к снижению технологических характеристик и общего ресурса эксплуатации скважины.
Разработка конструкции фильтровой части хвостовика с оптимальными параметрами НДС в зонах критических напряжений позволит обеспечить повышение его надёжности и долговечности в процессе эксплуатации скважины.
В ходе работы был смоделирован цифровой промышленный прототип фильтра, выполняющий роль цифрового двойника, для снижения затрат на последующих этапах реальной эксплуатации изделия. Разработанное изделие способно снизить вероятность аварий (прихватов, заклиниваний), повысить технологические и технико-экономические показатели операции заканчивания и эксплуатации скважины. Заключительный этап создания изделия состоит в применении аддитивных технологий 3D-печати металлом.
Аддитивные технологии – послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3D-технологий, технология 3D-печати.
Представлено техническое решение, направленное на одно из новых и быстро развивающихся направлений Индустрии 4.0 – печать изделия из сталей и сплавов, имеющий аналоги в мире, но не имеющий аналогов по технологии изготовления изделий и дешевизне производства.
Гипотеза о том, что при поступательном движении, придав телу вращение можно ускорить его движение по причине снижения трения от плоского движения, дала основание понять – если на тело цилиндрической формы нанести винтовую линию, можно обеспечить ему более плавное продвижение в интервалах неровностей и сужений.
Допущение: винтовая поверхность способна воспринять воздействие крепких пород без пластической деформации и придать крутящий момент фильтру, миновав его подклинку.
Концепция разрабатываемой конструкции фильтра основана на следующих положениях:
- сохранение целостности фильтра;
- оснащение фильтра правой винтовой поверхностью;
- угол подъёма винтовой поверхности должен обеспечивать вращение фильтра в процессе его спуска (рис. 1).
Рисунок 1 – Визуальное представление концепции движения фильтра.
Условные обозначения: Рос – нагрузка; w - частота вращения
Для того, чтобы перейти к разработке новой конструкции фильтра, необходимо проанализировать уже существующие модели и выделить критерии их оценки по прочностным факторам.
Цифровое проектирование осуществлялось в системе автоматизированного проектирования (САПР) для создания цифровых промышленных прототипов изделий Autodesk Inventor. Последующие математические расчёты на прочность и динамику осуществлялись в Microsoft Excel.
Рассмотрен вариант проектирования фильтра ОТТМ-102 с групповым расположением отверстий и с плотностью 20 отверстий на 1 метр. Для расчёта распределения напряжений по телу фильтра в ходе статического, параметрического и модального анализа модель разбивается на конечные элементы (МКЭ), которые в совокупности образуют сетку (в нашей модели: узлы – 29 562; элементы – 40 834) (рис. 2).
МКЭ является численным методом решений дифференциальных уравнений с частными производными и интегральных уравнений, появляющихся в процессе решения задачи по прикладной физике. Метод широко применяется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики и электродинамики.
МКЭ в САПР основан на алгоритмах триангуляции Делоне, что делает возможным создание абсолютно автоматического конечноэлементного САПР (можно увидеть на рис. 2 справа, разбиение модели на кластеры треугольной формы).
Триангуляция Делоне позволяет снизить погрешность вычислений, поскольку в МКЭ погрешность является обратно пропорциональной синусу минимального/максимального угла сетки.
Рисунок 2 – Фрагмент цифровой модели фильтра и сетки
Основные результаты моделирования представлены на рис. 3 и 4.
Рисунок 3 – Анализ смещения
Для более точного визуального представления деформации модель окрашивается в цвета, где синий соответствует минимальному значению, а красный цвет – максимальному.
Рисунок 4 – Анализ запаса прочности
Отдельно, рассчитываются следующие параметры;
- полярный момент инерции (экспортируется из Autodesk InventorÒ), м4.
Расчёт данного параметра позволяет уменьшить погрешность вычислений при расчёте касательных напряжений сложных сечений. Это утверждение основано на разбиении модели на сложные сечения, расчёта его полярного момента инерции и экспорта каждого значения в Excel с привязкой по длине фильтровой части;
- полярный момент сопротивления [2], м3
(1)
где JП – полярный момент инерции сечения, м4; 
- максимальный радиус по сечению, м.
- момент на трение (при коэффициенте сопротивления (Кc) от 0,2 до 0,6) [3], Н
м
(2)
где Dдол – диаметр долота/скважины, м; L – длина фильтра, м.
- сумма вращающих моментов (при Кc
от 0,2 до 0,6), Нм
(3)
где Мв – момент вращения, Нм; Nв – мощность, расходуемая на вращение фильтра, Вт; w - частота вращения, об/мин; Mтр – момент на трение, Нм.
- мощность, расходуемая на вращение, Вт
(4)
где Cn – коэффициент, учитывающий влияние величины зенитного угла скважины на Nв; 
– удельный вес промывочной жидкости, Н/м3; Dc
– диаметр скважины, м; L – длина фильтра, м; 
– наружный диаметр фильтра, м.
- максимальные касательные напряжения (при Кс от 0,2 до 0,6), МПа
(5)
где М – сумма вращающих моментов, Нм; WП – полярный момент сопротивления, м3.
С целью корректировки компоновки фильтра строятся графики распределения суммарных вращающих моментов (рис. 5) и максимальных касательных напряжений (рис. 6) по результатам вычислений. Они позволяют выделить зоны с повышенным риском деформаций.
Рисунок 5 – Распределение суммарных вращающих моментов
по длине при коэффициенте Кс сопротивления от 0,2 до 0,6
Рисунок 6 – Распределение максимальных касательных напряжений
по длине при коэффициенте Кс сопротивления от 0,2 до 0,6
В качестве альтернативы фильтра с винтовой линией предлагается использовать жёсткий турбулизатор с регулируемым углом наклона направляющих винтовых лопастей (рис. 7), способного упростить и снизить стоимость производства. Для моделирования напряжённых состояний и подбора материалов с применением параметрического анализа была создана цифровая и сеточная модели направляющего турбулизатора (рис. 8) и (рис. 9).
Рисунок 7 – Направляющий турбулизатор.
Условные обозначения: 1 – корпус; 2 – лопасти
Рисунок 8 – Цифровая модель направляющего турбулизатора
Рисунок 9 – Сеточная модель направляющего турбулизатора для 3D печати
Шлицевые пазы на внутренней поверхности модели созданы для свободного прохождения раствора на этапе спуска фильтра в скважину и пластового флюида на этапе её эксплуатации.
Установка направляющего турбулизатора на фильтр осуществляется штифтами (рис. 7, I – местный вид в разрезе), которые вкручиваются и обеспечивают его надёжную фиксацию.
На основе сеточной модели в формате Solidworks (.stl) была произведена печать изделия из PLA-пластика (рис. 10).
Рисунок 10 – Распечатанный на 3D-принтере прототип направляющего турбулизатора
Параметры производства прототипа изделия:
- высота слоя – 200 мкм. Толщина волоса человека составляет 100 мкм;
- точность позиционирования – 1,5 
2 мкм;
- материал – PLA-пластик (полиактид);
- твёрдость (по Роквеллу) – R70 R90;
- плотность – 1,23 1,25 г/см3;
PLA-пластик является идеальным материалом для 3D-печати прототипов и изделий, которые не предполагается эксплуатировать длительное время.
Разработанное изделие планируется распечатать в стальном исполнении на собранном 3D-принтере, способном печатать металлом (рис. 11). Применена иная технология изготовления, как замена существующей – технологии прямого спекания металла лазером.
Технология бесконтактного нагрева проводника токами высокой частоты и большой величины. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи, которые разогревают проводник под действием джоулева тепла.
Для создания физической модели рабочего механизма требуются инвестиции в проект.
Рисунок 11 – Рабочий механизм для 3D-печати металлом (упрощённый вид)
Перед подачей модели на печать производится её обработка алгоритмами искусственного интеллекта (ИИ), которые основаны на глубинной обработке изделия параметрическим анализом.
1. Создание модели, её исправление и доработка после САПР.
2. Оптимизация детали под аддитивное производство – с точки зрения соотношения массы/объёма/прочности/технологичности. Здесь же, деталь может приобрести новые свойства – упругость (в т.ч. анизотропную), пористость, резко повысившаяся теплопроводность, гигроскопичность. Монолитная модель -> система оболочек и решёток -> расчёт нагрузок -> оптимизация по результатам расчёта.
3. Подготовка модели к печати – создание системы поддержек, пакование деталей в рабочее после принтера, «Расслоёвка» и др. (рис. 12)
Рисунок 12 – Предварительный анализ модели и физическая реализация изделия
4. Анализ детали и имитация процессов печати для предсказания и исключения возможных ошибок.
5. Стадия завершающей обработки детали.
Преимущества в сравнении с классическими методами производства изделий из металла:
- отсутствие сложной маршрутной карты, состоящей из множества технических и технологических операций (точение, сверление, цементация, закалка, отпуск, определение квалитетов точности и т.д.);
- снижение в 8-10 раз затрат на производство изделий, обусловленное упрощением процесса работ (приведено среднее оценочное значение);
- возможно гибкое распределение свойств по телу изделия.
Прежде чем переходить к монтажу рассматриваемых элементов на фильтр необходимо произвести расчёт интервала их установки. Для исключения контакта фильтра с горной породой определяется расстояние между направляющими турбулизаторами с учётом его прогиба от собственного веса.
Входные расчётные параметры: диаметр фильтра 102 мм; диаметр долота 139,7 мм; наружный диаметр турбулизаторов 124 мм.
Условие: стрела прогиба фильтра не должна превышать 11 мм.
Расстояние между турбулизаторами:
(6)
где E – модуль упругости Юнга для стали, Н/м2; J – полярный момент инерции (экспортирован из Inventor), м4; 
– вес одного 1 погонного метра фильтра, Н; 
- стрела прогиба фильтра, м.
Проведённые расчёты показали, что при данных диаметральных соотношениях долота и фильтра, с учётом допущения максимального прогиба средней части его части, расстояние между направляющими турбулизаторами не должно превышать 45,75 м.
Также следует отметить, что момент на трение при спуске хвостовика длиной 100 м в горизонтальной части скважины с установленными через каждые 45,75 м направляющими турбулизаторами снизится с 171,58 Н×м до 14,2 Н×м.
Не ограничиваясь произведёнными расчётами и описанием эффективности разработки, следует взглянуть на работу в более длительном промежутке времени.
Если рассматривать фильтр как не касающееся стенок скважины тело следует, что коэффициент полезного действия фильтра растёт из-за повышения его эффективной площади поверхности. Под термином эффективная площадь поверхности следует понимать то, что фильтр полностью пропускает через себя пластовый флюид и не лежит на стенке скважины, а находится на весу при помощи направляющих турбулизаторов. Направляющие турбулизаторы диаметрально больше фильтра. Данный факт позволяет сделать вывод о том, что повысится эффективность не только операции заканчивания на этапе строительства скважины, но и всего периода эксплуатации скважины.
В ранее опубликованных результатах значение расстояния между направляющими турбулизаторами составляло порядка 14 метров. После тщательной проработки материалов фильтра и турбулизатора по упругопластическим свойствам расстояние удалось увеличить до значения в 45 метров.
Прогресс движется в сторону усложнения технологий, но, так как проекты в области нефти и газа являются дорогостоящими, требуется осуществлять действия по оптимизации денежных затрат и повышению эффективности работы предприятия. Проект отвечает поставленным и актуальным вызовам топливно-энергетического комплекса – позволяет сохранить денежные средства, повысить эффективность строительства скважины и её эксплуатационные характеристики на всём периоде разработки месторождения.
Инструменты анализа и имитации процессов печати из металлов радикально удешевят и ускорят процесс производства, исключив множество ошибок на этапе, когда на них не потрачено значительных финансовых и материальных средств.
Инструменты автоматизации создания структуры поддержек, автоматического пакования множества деталей в рабочее пространство принтера и тонкой настройки управляющих программ ещё более ускорят и удешевят производство.
Углеводороды необходимы для обеспечения жизнедеятельности в нашем постиндустриальном обществе, и будут необходимы всегда, даже в эпоху киберфизических систем, нейронных сетей, сверхпроводников, альтернативной энергетики и аддитивных технологий.
Литература
1. Abbassian F. Extended Reach Drilling / Abbassian F., Judzis A., Blikra H. etc. // BP Industry Extended Reach Wells. BP Exploration, 1997. P. 16.
2. Чернилевский Д.В., Лаврова Е.В., Романов В.А. Техническая механика. М.: Наука, 1982. C. 236.
3. Овчинников В.П., Двойников М.В., Оганов А.С., Симонянц С.Л. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: учебник для студентов вузов. Тюмень: ТюмГНГУ, 2014. Т. 1. C. 536-554.
4. Данилов-Данильян В.И. Методика определения предотвращённого экологического ущерба. М., 1999.
Ключевые слова: скважины с большим отходом от вертикали, сложные геологические условия, хвостовик-фильтр, метод конечных элементов, заканчивание скважин, цифровой прототип
Keywords: wells with a large deviation from the vertical, complex geological conditions, shank filter, finite element method, well completion, digital prototype
