Ключевые слова: гидравлика долота, программное обеспечение, долотная программа, математический алгоритм, гидравлический расчет, сходимость результатов.
На сегодняшний день существуют программы модульного и комплексного назначения. Модульное назначение – это создание системы расчетов к определенную объекту, например, расчет гидравлики долота, расчет энергетических характеристик винтового забойного двигателя и др. Комплексное назначение – это создание системы расчетов которая интегрирована из отдельных модулей в одну комплексную программу. Например, программа «ПК Инженерные расчеты строительства скважин» – это набор модулей, предназначенный для проектирования конструкции и режимов бурения при строительстве скважин, формировании отчетов и программ работ, выполнении проверочных расчетов и т.д.
Программа состоит из следующих модулей:
-
Модуль ввода данных.
-
Проектирование профиля.
-
Анализ сближений.
-
Шаблон куста.
-
Расчет промывки скважины.
-
Расчет бурильных колонн.
-
Расчет обсадных колонн.
-
Расчет спуска и центрирования обсадных колонн.
-
Расчет цементирования.
В качестве методической базы программного комплекса используются утвержденные отечественные руководящие документы и передовые международные методики.
В условиях импортозамещения и ограниченного доступа к зарубежному программному обеспечению в отрасли строительства нефтяных и газовых скважин особо актуальной является задача создания отечественных инструментов для инженерных расчетов. Одна из ключевых задач – автоматизация гидравлических расчетов буровых долот, что напрямую влияет на эффективность бурового процесса и эксплуатационную надежность оборудования. Наиболее часто применяемые зарубежные продукты (Bit Hydraulics, Drill Bit Nozzle Calculator, Quick Calc Hydraulics) не только нередко недоступны российским пользователям, но и обладают ограниченным русскоязычным интерфейсом и функциональными особенностями, не всегда удовлетворяющими требованиям российских стандартов.
Целью данной работы является разработка программного обеспечения «ЦН Гидравлика долота» – мобильного приложения российского производства для осуществления полного цикла гидравлических расчетов бурового долота, адаптированного к отечественной нормативной базе.
Цифровой продукт «ЦН Гидравлика долота»
«ЦН Гидравлика долота» – программа для ЭВМ предназначена для проведения гидравлических расчетов бурового долота. Программный продукт реализован для мобильных устройств с использованием мультиплатформенных технологий Flutter (Dart). Расчетное ядро выполняется на интерпретаторе Python, интегрированное через внешние компоненты Android. Такой подход позволяет сочетать дружелюбный пользовательский интерфейс и высокую точность вычислений, характерную для инженерных пакетов на Python.
В структуре программы реализованы следующие функциональные модули:
-
автоматизированный ввод исходных данных с возможностью открытия предыдущих расчетов;
-
расчет мгновенных и интегральных показателей гидравлики долота (потеря давления на насадках долота, гидравлическая мощность на долоте, скорость струи из насадки, сила удара струи о забой и др.);
-
формирование отчетной документации с визуализацией результатов и экспортом.
В основу математических алгоритмов заложены формулы из книги «Инженерные расчеты при бурении», авторами которой являются Э.В. Бабаян и А.В. Черненко. В книге фактически систематизированы проверенные практикой расчетные формулы и зависимости по всем разделам бурения и представлены в виде алгоритмов, как основной материал для создания новых или совершенствования известных технологий и создания компьютерных программ [1].
Сходимость результатов проверялась с аналогичными разработками иностранных и отечественных программ, связанных с расчетом гидравлики долота.
В таблице 1 представлены программы по расчету гидравлики долота.
Полученные результаты расчетов в программе «ЦН Гидравлика долота» соответствуют проводимым расчетам аналогичным ПО в метрической системе измерений, программа «ЦН Гидравлика долота» разработана только в метрической системе измерений.
В процессе разработки программы проведен масштабный комплекс работ, включающий поиск и формализацию математических алгоритмов, выполнение сотен расчетов для проверки сходимости результатов, разработку архитектуры программного обеспечения, проектирование пользовательского интерфейса, подготовку документации, а также реализацию функционала автоматизированной генерации отчетов.
В соответствии с техническим заданием и руководящими документами недропользователя все расчеты, направленные на оптимизацию гидравлических характеристик работы долота, должны осуществляться с применением специализированных программных продуктов и в обязательном порядке включаться в программу бурения скважины и долотную программу. Инженерные расчеты и моделирование, являющиеся неотъемлемой частью долотной программы отдельной скважины или группы скважин, подлежат выполнению исключительно с использованием специализированного программного обеспечения [8, 9].
Программа «ЦН Гидравлика долота» разработана согласно требованиям технических заданий и инструкций по «Сопровождению и отработки буровых долот» недропользователей.
В состав гидравлических расчетов программы входят следующие математические алгоритмы [7]:
Диаметр скважины с учетом коэффициента кавернозности – этот параметр определяет размер скважины, включая коэффициент кавернозности, который учитывает неоднородность стенок скважины. Он важен для определения геометрии и размера скважины.
- Площадь сечения насадок – эта характеристика указывает на площадь поперечного сечения насадок долота. Она служит для определения пропускной способности.
-
Потеря давления на насадках долота – этот параметр отражает потерю давления, происходящего на насадках долота в процессе прохождения промывочной жидкости. Он важен для оценки гидравлических потерь и оптимизации процесса бурения.
-
Гидравлическая мощность на долоте – этот параметр указывает на мощность гидравлического потока, проходящего через долото. Он позволяет оценить энергию, которая передается долоту.
-
Гидравлическая мощность на см2 – этот параметр выражает гидравлическую мощность на единицу площади. Используется для оценки интенсивности действия гидравлического потока.
-
Hydraulic horsepower per Square Inch (HSI) – это мера энергии, передаваемая гидравлическим потоком на единицу площади. Используется для оценки энергетической эффективности бурения и производительности долота.
-
Скорость струи из насадки – этот параметр указывает на скорость выходящей из насадки долота промывочной жидкости. Скорость струи имеет важное значение для эффективного разрушения горных пород и удаления выбуренного шлама в призабойной зоне.
-
Сила удара струи о забой – этот параметр указывает на силу, с которой струя промывочной жидкости ударяется о забой. Он используется для оценки эффективности разрушения горных пород и удаления выбуренного шлама.
-
Сила удара струи о забой на мм2 – этот параметр показывает силу, с которой струя ударяется на единицу площади. Используется для оценки интенсивности удара и эффективности разрушения горных пород.
-
Минимальная подача бурового раствора для долота типа «PDC» с поликристаллическими алмазными вставками – этот параметр указывает на минимальную подачу бурового раствора, необходимого для эффективной работы долота типа «PDC» с поликристаллическими алмазными вставками. Это важно для оптимальной работы и снижения износа долота.
В программу вложен документ «Рекомендация к гидравлическому расчету работы бурового долота», он находится в разделе «Справочная информация». Рекомендация основана на применении мировой практики гидравлики долота в области повышения эффективности бурения [2–4, 6].
После регистрации аккаунта доступны возможности: оформить подписку; справочная информация; история расчетов; выйти из аккаунта; удалить аккаунт. Оформив подписку, пользователь получает доступ к опции «Произвести расчеты».
Далее потребуется внести входные данные, после чего производится расчет для получения выходных данных.
Результаты расчета и проверка сходимости результатов программы «ЦН Гидравлика» долота с программой BSHydraulic компании АО «НПП «Бурсервис» представлены на рисунке 1.
РИСУНОК 1. Результаты расчета и проверка сходимости результатов программы «ЦН Гидравлика долота» с программой BSHydraulic компании АО «НПП «Бурсервис»
На основании проведенных расчетов и оценки сходимости полученных результатов можно заключить, что разработка программного продукта «ЦН Гидравлика долота» полностью отвечает требованиям по эффективности и надежности вычислений.
В программе обеспечена генерация отчета по расчету с возможностью сохранения расчета.
РИСУНОК 2. Отчет по расчету в формате docx (Microsoft Word)
На всех этапах строительства скважины предусмотрена возможность проведения гидравлического расчета в процессе сопровождения и эксплуатации бурового долота. Реализация гидромониторного эффекта, основанного на действии высокоскоростных струй, выходящих из насадок долота, способствует существенному увеличению механической скорости проходки, особенно в мягких породах, где наблюдается повышение эффективности в 2–3 раза. Очевидна прямая зависимость эффективности гидромониторного воздействия от скорости истечения жидкости из насадок: с увеличением скорости струй значительно улучшается размыв забоя и удаление выбуренной породы. В международной практике, в частности в США, Канаде и других государствах, скорость истечения из насадок доводится до 80–100 м/с, что обеспечивает увеличение скорости проходки интервалов мягких и средних глин в 2,5–3 раза. Для более твердых пород, таких как сланцы, применение гидромониторных долот позволяет повысить скорость проходки примерно в 1,5 раза. Высокие значения скоростей истечения из насадок обеспечивают наиболее полную реализацию гидромониторного эффекта, тогда как пониженные скорости циркуляции в кольцевом пространстве способствуют снижению гидродинамической нагрузки на забой и уменьшают интенсивность эрозионных процессов на стенках скважины. При этом скорость восходящего потока должна оставаться достаточной для эффективной очистки скважины от шлама. Чем большая доля общего давления затрачивается непосредственно на долоте, тем выше скорость струй, тем лучше очистка забоя и тем более выраженным становится гидромониторный эффект [5].
Выводы
-
Программный продукт «ЦН Гидравлика долота» официально зарегистрирован в реестре программ в Роспатенте для электронно-вычислительных машин, что подтверждается свидетельством о государственной регистрации ЭВМ № 2024681442 Российской Федерации (М.В. Власов, А.Н. Тихомиров; заявка от 12.08.2024, опубликовано 10.09.2024 в бюллетене № 9).
-
Разработанный программный интерфейс характеризуется высокой эргономичностью и обеспечивает оперативное выполнение гидравлических расчетов бурового долота различной степени сложности.
-
Включенная в программное обеспечение рекомендация базируется на лучших мировых практиках в области гидравлических расчетов, что способствует повышению эффективности бурения за счет оптимального подбора гидродинамических параметров и достижению высоких значений механической скорости проходки.
-
Проведенная верификация программных модулей и анализ сходимости полученных результатов свидетельствуют о высокой точности и эффективности разработанного вычислительного инструмента.
-
Функционал автоматической генерации отчета в формате docx (Microsoft Word) обеспечивает возможность быстрой интеграции результатов гидравлического расчета в проектную и рабочую документацию, а также при формировании долотных программ.
-
Доступ к программе организован через платформу RuStore – российский магазин приложений для устройств на базе Android, разработанный при поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации.
Литература
1. Бабаян Э.В., Черненко А.В. Инженерные расчеты при бурении / Э.В. Бабаян, А.В. Черненко. – М.: Инфра-Инженерия, 2016. – 440 с.
2. Бриджес К.Л. Руководство для супервайзера по буровым растворам и их использованию / К.Л. Бриджес. – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2018. – 422 с.
3. Бывальд Э.М., Рязанов Р.Н., Говзич А.Н. Эффективное бурение / Э.М. Бывальд, Р.Н. Рязанов, А.Н. Говзич. – М.: ИП Лысенко А.Д., 2019. – 270 с.
4. Булатов А.И., Проселков Ю.М., Рябченко В.И. Технология промывки скважин / А.И. Булатов, Ю.М. Проселков., В.И. Рябченко. – М.: Недра, 1981. – 301 с.
5. Власов М.В., Живаева В.В. Гидротранспорт и гидромониторный эффект / М.В. Власов, В.В. Живаева // Ашировские чтения: сб. трудов Всероссийск. науч.-практ. Конференции, том 2 / Отв. ред. В.В. Живаева. Самара: Самар. Гос. Техн. Ун-т, 2023. – С. 73–80.
6. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении / Е.Г. Леонов, В.И. Исаев.– М.: Недра, 1987. – 304 с
7. Проект «ЦН Гидравлика долота». Самара: 2024. – 19 с.
8. Техническое задание 10319 «Телеметрическое и технологическое сопровождение при наклонно-направленном и горизонтальном бурении и технологическое сопровождение (прокат) буровых долот и забойных двигателей». СПб: 2024. – 31 с.
9. Технологическая инструкция сопровождение и отработка долот ти-11/01-40 (Версия 1) ООО «НКНП». Бузулук: 2022. – 32 c.
