Применение бериллиевого медного сплава в каротаже во время бурения (MWD/LWD)

Бериллиевые медные сплавы широко применяются в нефтяной промышленности, включая: немагнитные замковые кольца буровых головок, гибкие буровые замки, наружные прочные оболочки приборов MWD/LWD (измерения при бурении/каротаж во время бурения), импульсные модуляторы, различные резьбовые соединения, устройства для отбора проб при добыче сланцевого газа и полезных ископаемых, немагнитные буровые утяжелённые трубы и др.

С развитием технологий бурения и разведки нефти в Китае были достигнуты значительные успехи в управлении бурением. Ключевые технологии беспроводных приборов MWD/LWD были успешно освоены, что означает, что китайская нефтеразведка вышла на один уровень с ведущими международными нефтегазовыми компаниями.

Произведённая в Китае высокопрочная изотропная бериллиевая бронза, используемая в наружной оболочке приборов MWD/LWD, может выдерживать внешнее давление до 140 МПа и устойчива к абразивному воздействию магмы и песка, что делает её по эксплуатационным характеристикам сопоставимой с американскими аналогами.

1. Применение бериллиевой бронзы в системах измерения при бурении и системах направленного бурения

В системе Drilog от China Oilfield Services Ltd. (COSL), приборы нижней части компоновки включают различные функциональные секции: измерительный блок DIM (система MWD), измерительный блок параметров DSM, а также комбинированный прибор ACPR (электрическое сопротивление и гамма-каротаж). Эти секции соединяются между собой через механико-электрические интерфейсы с помощью жёстких соединений и адаптеров, все элементы изготовлены из бериллиевой бронзы марки C17200.

Секции имеют модульную конструкцию, что облегчает их техническое обслуживание, диагностику и поэтапную модернизацию.

При подключении секций необходимо обеспечить:

• надёжное соединение;

• проходимость потока жидкости внутри инструмента;

• стабильную передачу питания и сигнала;

• высокую коррозионную стойкость и устойчивость к усталостным нагрузкам.

2. Применение бериллиевой бронзы в направленных буровых установках

При направленном бурении для точного контроля траектории скважины к задней части измерительного зонда присоединяется немагнитная бурильная труба, которая создаёт немагнитную зону для работы датчиков. Это удлиняет расстояние от долота до зонда, снижая точность измерений.

Для решения этой проблемы в Китае и за рубежом были разработаны немагнитные винтовые бурильные трубы, в конструкции которых оболочка изготавливается из бериллиевой бронзы.

Основные преимущества:

1. Исключается влияние на магнитные приборы.

2. Снижается погрешность между точкой измерения и долотом.

3. Эффективная экранировка внешних магнитных полей.

3. Применение бериллиевой бронзы в приборах ближнедолотного измерения

Для повышения точности траектории бурения и своевременного получения информации о геологическом разрезе, был разработан прибор ближнедолотного измерения.

В конструкции прибора от COSL задействованы:

• батарейный отсек;

• задний фиксатор батарейного блока — выполнены из бериллиевой бронзы.

В ходе исследований Института буровых технологий Sinopec сравнивались два материала: немагнитный сплав N1310B и бериллиевая бронза QBe2. При увеличении толщины стенки оба материала демонстрируют рост предела крутящего момента, однако бериллиевая бронза превосходит по максимальному моменту и допустимому уровню деформации.

При равной толщине стенки:

• бериллиевая бронза обеспечивает более высокую механическую чувствительность;

• даёт больший запас по моменту;

• обладает лучшей упругостью и меньшим коэффициентом упругости.

Это позволяет повысить помехоустойчивость и чувствительность измерительных сенсоров, что делает бериллиевую бронзу идеальным материалом для таких компонентов.

4. Проблемы в применении

Несмотря на широкое применение бериллиевой бронзы в приборах MWD/LWD, в некоторых случаях были зафиксированы проблемы.

Например, на шахте Sihé (Jinmei), при бурении направленной установкой ZYWL-6000DS было успешно пройдено 1008 метров, но на шахтах Changping и Shuangliu (Fengxi) произошло обрушение немагнитных бурильных труб до завершения 2000 метров бурения, что привело к падению части бурового инструмента в скважину.

28 декабря 2020 года на платформе EP24-2 (COSL, Шэньчжэнь) произошло разрушение соединения инструмента на глубине 664 м. После вскрытия выяснилось, что произошёл обрыв жёсткого соединения, вызванный усталостным разрушением из-за концентрации напряжений.

Хотя прочность бериллиевой бронзы в закалённом состоянии может превышать 1000 МПа, её относительное удлинение при этом снижается до менее 5%, что делает её более хрупкой.

Дополнительные факторы риска:

• некачественная термообработка;

• ошибки в обработке поверхности;

• допущенные технологические дефекты.

Заключение

Бериллиевая бронза обладает выдающимися свойствами и активно используется в высокотехнологичных отраслях, включая системы каротажа во время бурения. Она демонстрирует преимущества, которые не могут быть достигнуты с помощью других материалов. Однако, чтобы максимально эффективно использовать этот сплав, необходимо чётко понимать его особенности и установить строгие стандарты по термообработке, механической обработке и защите поверхности.

Только при комплексном подходе можно гарантировать стабильную работу компонентов из бериллиевой бронзы в сложных условиях бурения.