книги / Решение геолого-технических задач при направленном бурении скважин

принимается в пределах 2000 мм, длина

центратор вращается вокруг первоначальной оси скважины, а породо­ разрушающий инструмент, труба 12 и внутренняя часть шарнира 7 вращаются вокруг оси искривленной скважины.

Эксцентрично расположенная втулка 5, вращаясь вместе с удлинен­ ным центратором, при каждом обороте воздействует на верхнее плечо шарнира 7, стремясь восстановить соосность бурового снаряда. Усилие от верхнего плеча шарнира передается на нижнее плечо через переходник 11 и трубу 12 породоразрушающему инструменту. Послед­ ний с большим усилием воздействует на стенку скважины, фрезеруя ее в направлении, противоположном естественному искривлению, до тех пор, пока скважина не примет прямолинейную форму, т. е. восстано­ вится соосность снаряда.

Наличие эксцентрично расположенной втулки позволяет получить в призабойной зоне фрезерующее усилие большой величины (до 10 000 Н), действующее перпендикулярно к стенке скважины в направ­ лении, противоположном естественному искривлению. Это позволяет бурить практически прямолинейные отрезки скважин в различных геологических условиях.

101

Технология бурения прямолинейных отрезков скважин снарядом не отличается от обычной.

5.3. СРЕДСТВА ИСКУССТВЕННОГО ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН

Выбор типа отклонителя

При необходимости искривления скважин в изотропных породах с небольшой интенсивностью следует использовать одно- и двухшар­ нирные компоновки низа бурильной колонны. Для искривления скважин в анизотропных породах с малой интенсивностью в больших интервалах надо применять коронки специальной геометрии, имеющие конусную форму торца, в комплекте со специальными компоновками низа буриль­ ной колонны. При бурении в анизотропных породах в сторону, противо­ положную действию анизотропии, эффективны отклонители непрерыв­ ного действия ТЗ-З или СБС. Их также следует использовать при необходимости значительного искривления скважин в монолитных породах.

Когда объемы искусственного искривления небольшие и глубина скважины невелика, надо применять извлекаемые отклонители разового действия (съемные клинья). Кроме того, их применяют при необхо­ димости искривления скважин в трещиноватых породах взамен от­ клонителей непрерывного действия с подвижной раскрепляющей системой.

При забуривании дополнительного ствола по методике сверху вниз используют специальные компоновки низа бурильной колонны. Если требуется точная ориентация дополнительного ствола, забуривание следует осуществлять отклонителем непрерывного действия. При забуривании дополнительного ствола по методике снизу вверх в

породах средней твердости (до VII—VIII категории по буримости) эффективны отклонители непрерывного действия с подвижной раскрепляющей системой, а в крепких породах— неизвлекаемые отклонители.

Коронки специальной геометрии конусной формы

Коронки специальной геометрии (КСГ), предложенные Ю. Л. Боярко, предназначены для пространственного искривления скважин в анизотропных породах. При их применении не требуется ориентация снаряда, однако предварительно необходимо определить величину и направление векторов анизотропии пород. В процессе искривления отбирается керн, что является важным преимуществом использования коронок специальной геометрии (рис. 39). Если рабочие поверхности режущих элементов коронок образуют конус (наружный или внутрен­ ний), то анизотропные породы под действием осевой нагрузки G будут неравномерно разрушаться на забое.

Для коронок с внутренней конической поверхностью (рис. 39, а) при

102

Рис. 39. Схемы искусственного искривления скважин коронками специальной геометрии

. Для коронок с внутренней конической поверхностью (рис. 39, а) при бурении под острым углом к одному из векторов анизотропии режущие элементы, проходящие перпендикулярно к сланцеватости (или близко к этому), встречают большее сопротивление, чем проходящие параллельно сланцеватости. В результате возникают неравные реакции N t и N2, перпендикулярные к рабочим поверхностям коронок, причем N 2 > N2' Силы Ft и F2 препятствуют перемещению коронки по горной породе. Для разрушения породы необходимо, чтобы эти силы были не меньше сил трения, т. е. Fx^ FTp и F2^ Frp.

Сила трения

Угол наклона рабочей поверхности должен быть равен 90° 4-ф. При разложении результирующих сил реакции породы Wl и W2 на силы R 1 и R2, параллельные оси снаряда, и силы Tt и Т2, перпендикулярные оси, и приведении их к точке О получим осевую реакцию R, опрокидывающий момент М и сдвигающую силу Т. Опрокидывающий момент М отклоняет верхнюю часть инструмента от оси скважины, а сдвигающая сила Т смещает от оси нижнюю его часть. В результате этого скважина искривляется в направлении, перпендикулярном к сланцеватости.

При применении коронок с внешней конической поверхностью с углом 90° —ф возникают те же силы, но N1<N2 (рис. 39,6). Вслед­ ствие этого искривление скважины происходит в направлении сланцева­ тости.

Значения углов трения для различных групп пород приведены ниже (в градусах):

103

Наличие на забое керна может привести к неравномерному износу коронок, поэтому перед их применением забой необходимо очищать. Шлам на забое не препятствует нормальному процессу работы коронок.

Для увеличения зенитного угла при бурении вкрест сланцеватости горных пород применяется снаряд, состоящий из коронки, показанной на рис. 39, а, колонковой трубы длиной 1— 1,5 м и шарнирного переходника; при бурении по падению сланцеватости для выполаживания используется такой же снаряд, но с коронкой, показанной на рис. 39,6.

При необходимости уменьшения зенитного угла при бурении вкрест сланцеватости в снаряд включают коронку, показанную на рис. 39,6, колонковую трубу длиной 1,5—2 м и центрирующий переходник, наружный диаметр которого близок к диаметру скважины, при бурении по падению сланцеватости— коронку, показанную на рис. 39, а.

При искривлении скважины влево по азимуту, если острый угол между направлением сланцеватости и осью скважины находится справа, используется коронка, показанная на рис. 39,6, с колонковой трубой длиной 1— 1,5 м и буровым шарниром. В скважинах, имеющих острый угол между направлением сланцеватости и осью скважины слева, для искривления применяется такой же снаряд с коронкой, показанной на рис. 39, а.

Т аб л и ц а 16

колонковой трубы 2 м

104

Параметры режима бурения при искривлении скважин диаметром 59 мм приведены в табл. 16.

Шарнирные компоновки

Шарнирные компоновки для направленного бурения по сравнению с другими техническими средствами обладают рядом преимуществ, к которым относятся: небольшие дополнительные затраты времени; простота технологии искривления скважин; возможность использова­ ния там, где применение отклонителей других типов затруднено или неприемлемо. Разновидности таких компоновок показаны на рис. 40.

Одношарнирные компоновки применяются в основном для увеличе­ ния зенитного угла скважины, причем компоновки с промежуточной опорой (рис. 40,6) позволяют улучшить результаты искривления на 8— 10%. Промежуточная опора должна делить колонковую трубу в отношении 1:2 или 1:3. Уменьшение зенитного угла АО при

Рис. 40. Разновидности шарнирных компоновок:

а—простая шарнирная; б—с промежуточной опорой; в —двухшарнирная

105

Рис. 41. Шарнир ШБЗ-6 Рис. 42. Шарнир Шалымской ГРЭ

использовании двухшарнирной компоновки не должно превышать величины, определяемой из следующего выражения:

где Dc— диаметр скважины; d, —диаметр бурильных труб; /—длина интервала искривления; L —длина компоновки; /„—длина коромысла; \|/=5-н7°— угол перекоса коромысла.

В противном случае скважина будет выполаживаться. Длина коромысла

обеспечивающий перекос инструмента г скважине, а следовательно, и ее искривление. В практике работ используется ряд шарниров: ЩУ конструкции ВИТР, ШС СКТГУ, ШБЗ-6 ЗабНИИ и др. Наиболее совершенны шарниры ШБЗ-6 и разработанный в Шалымской ГРЭ ПГО «Запсибгеология».

Шарнир ШБЗ-6 (рис. 41) состоит из корпуса /, оси 2 и четырех специальных пальцев 3, которые входят в соответствующие гнезда оси и окна корпуса. За счет этого возможен перекос оси относительно корпуса. Пята 5, прижимаемая пружиной 6 к сферической поверхности

106

оси, предназначена для уменьшения утечек промывочной жидкости. Пальцы от выпадания удерживаются втулкой 4. С колонной буриль­ ных труб шарнир соединяется переходником 7. Диаметр шарниров от 44 до 73 мм.

Буровой шарнир, разработанный в Шалымской ГРЭ, отличается простотой изготовления й высокой надежностью. Конструкция его показана на рис. 42. Передача крутящего момента осуществляется за счет кулачкового соединения корпуса 1 и оси 3. Наличие зазоров между поверхностями контакта обеспечивает перекос в шарнире до 4°. Герметизация достигается шлангом 2, закрепляемым конусными уплотнителями в расточках корпуса и оси. При испытаниях на стенде отмечено, что утечки промывочной жидкости практически отсутствуют

Отсюда видно, что интенсивность искривления / может регулиро­ ваться изменением длины компоновки L. В действительности величина искривления шарнирными компоновками всегда будет меньше, так как компоновка вращается не только вокруг собственной оси, но и вокруг оси скважины.

Эффективность работы шарнирных компоновок зависит от многих факторов, основные из которых— величина зенитного угла, величина и направление естественного искривления и параметры режима бурения. Компоновки наиболее эффективно работают, если буренйе ведется в породах изотропных или направление естественного искривления совпадает с направлением искривления шарнирной компоновкой, а зенитный угол скважины не менее 10— 12°.

Для повышения эффективности работы компоновок необходимо использовать специальную технологию бурения. При необходимости искривления скважины в апсидальной плоскости следует снизить частоту вращения инструмента до 100— 150 об/мин, а осевую нагрузку повысить до 15—20 кН в зависимости от диаметра породоразрушаю­ щего инструмента.

С помощью таких компоновок можно получить и азимутальное искривление: для простых компоновок— влево, для двухшарнирных— вправо. Такое искривление возникает за счет накатывания верхней части компоновки на соответствующую стенку скважины. Для этого

С целью более стабильного искривления скважины в апсидальной плоскости необходимо уменьшить трение между компоновкой и стенками скважины. Это может быть достигнуто за счет антивибра­ ционных смазок и установки в верхней части компоновки и на бурильных трубах резиновых протекторов, диаметр которых немногим более диаметра снаряда. В связи с тем что коэффициент трения резины по породе во много раз .меньше, чем стали по породе, колонна

107

бурильных труб будет вращаться преимущественно вокруг собственной оси и большую часть времени находиться у лежачей стенки скважины.

Для увеличения наката компоновки на стенку скважины, а следовательно, роста азимутального искривления надо повысить силу трения между компоновкой и стенками скважины. С этой целью необходимо прекратить применение антивибрационных смазок, по крайней мере в нижней части колонны бурильных труб, снять протекторы, а на верхней части компоновки установить алмазный расширитель, обеспечивающий повышение сил сопротивления вращаю­ щегося снаряда.

При использовании компоновок требуется постоянный оператив­ ный контроль за направлением и величиной искривления после каждого рейса, так как получаемые результаты зависят от многих трудно учитываемых факторов.

Отклонитель непрерывного действия ТЗ-З

Отклонитель ТЗ-З— один из наиболее современных отклонителей непрерывного действия с подвижной раскрепляющей системой. С его помощью возможно пространственное искривление скважин при решении большинства задач направленного бурения. Наиболее эффек­ тивно его примените на стадии детальной разведки в породах, для

которых механическая скорость бурения составляет не менее 0,8 м/ч

[2].

Отклонитель (рис. ,43) состоит из ротора и статора, включающих следующие узлы: нижний подшипниковый, распорно-клиновой, шлице­ вой, блокировки и верхний подшипниковый. Ротор снабжен долотом и вращается в процессе бурения, а статор содержит распорно-отклоняю- щий элемент, служащий для создания отклоняющей силы и сохранения направления ее действия в процессе бурения.

Ротор отклонителя представляет собой вал с осевым каналом для прохода промывочной жидкости и имеет в средней части шлицевой разъем, позволяющий изменять длину ротора. На верхней 9 и нижней 2 частях вала ротора имеются опорные выступы, на которых размещены подшипники качения. В состав ротора входит также блокировочный фиксатор с зубом, обеспечивающий соединение ротора со статором при ориентировании отклонителя в скважине. Возвратная пружина является амортизатором и служит для фиксирования взаим­ ного положения ротора и статора в процессе спуска отклонителя.

108

Статор включает верхний подшипниковый узел 11, пружину 10, патрубок корпуса 8, распорно-отклоняющий узел, состоящий из верхнего 7 и нижнего 3 полуклиньев и клинового ползуна 5. Клиновой ползун и полуклинья соединены между собой Г-образным замком, а полость ротора защищается от шлама трубкой 4, телескопически входящей в верхний полуклин 7. Угол скоса клиновых поверхностей равен 45°.

Для облегчения перемещения статора по стволу в процессе бурения и сохранения направления действия отклоняющей силы на клиновом ползуне крепятся катки 6. В нижнем полуклине 3 смонтирован нижний подшипниковый узел. В статоре имеется также блокировочная втулка 14 с торцевой поверхностью в виде витка с пазом. В этот паз при транспортном положении отклонителя - входит зуб фиксатора 13 ротора. Внутренние полости отклонителя защищены от шлама

для ориентатора типа «Курс» или УШО-1 и обратный шаровой клапан.

109

Рис. 44. Номограмма для определения длины интервала искусственного искрив­ ления отклонителем непрерывного действия с подвижной раскрепляющей системой

После ориентирования и установки отклонителя на забой созда­ ется осевая нагрузка. Корпус отклонителя перемещается вниз, по-

ка фиксатора. Усилие, создаваемое пружиной 10, передается на клиновой ползун 5, что приводит к созданию отклоняющей си­ лы. В процессе бурения осевая нагрузка передается через сомкнутый шлицевой узел ротора непосредственно на породоразрушающий инструмент 1.

Набор кривизны скважины при применении отклонителя происхо­ дит по закону показательной функции, однако при значительной длине рейса траектория искусственно искривленной скважины может быть принята за дугу окружности. Продолжительность рейса при заданной величине пространственного искривления определяется по номограмме, приведенной на рис. 44.

При пользовании номограммой необходимо знать фактический диаметр скважины в призабойной зоне, который с достаточной

где Dm, Dm и Dx—соответственно наружный и внутренний диаметры породоразрушающего инструмента по резцам и керна.

Порядок определения длины интервала по номограмме следующий.

110