книги / Технология бурения наклонно направленных скважин с большим отклонением забоя от вертикали

Так как ZGa меньше величины требуемой осевой нагрузки, то следует продолжить изменение КНБК. Это достигается путем уста­ новки 2-го ОЦЭ на середине полуволны изогнутой оси 2-й секции.

. ^кр1 61,1 _Л _ /„2 = - Е- =—— = 30,5 м,

ц2 2 2

масса этой секции G2 = q\l2 = 2,166 - 30,5 = 66,06 кН. Общая масса EG(i + 2) = 50,38 + 66,06 = 116,44 кН.

3. Третья секция должна иметь диметр УБТ меньше, чем УБТ в 2-й секции. Принимаем УБТ 0 203 мм. Так как опорные концы сек­ ции одинаковы с концами 2-й секции, то А = 2,81. По табл. 6.1. нахо­ дим Ркр = 120,55 кН и /кр = 55,9 м. Принимает, что масса 3-й секции равно Л„. Тогда IG (i + 2 + з) = 116,44 + 120,55 = 236,99 кг, что больше,

чем Од/пр.

В результате расчета состав КНБК следующий: долото 0 295,3 мм, УБТ 0 219 мм длиной 23,26 м; ОЦЭ (центратор) 0 ai = 0 Д= 295,3 мм, УБТ 0 219 мм длиной 30,5 м, диаметр 0 ц2 = 292 мм, УБТ 0 203 мм длиной 55,9 м, бурильные трубы.

По этой методике следует производить расчеты КНБК при раз­ личных сочетаниях диаметров долот и УБТ.

Отметим, что на практике часто применяют, так называемую «жесткую» КНБК, включающую долото, калибратор, секции УБТ с общей длиной порядка 25-30 м, установленные между двумя-тремя ОЦЭ.

При этом над последним центратором устанавливают УБТ боль­ шое длины, доходящей до 150-160 м и более для обеспечения нагруз­ ки на долото Ga > 0,75 GYBT [27]. Считаем, что такую КНБК приме­ нять нельзя, так как в процессе бурения произойдет потеря устойчи­ вости в верхней секции УБТ с образованием нескольких полуволн. В результате стенки скважины воспримут значительную часть враща­ ющего момента и осевой нагрузки передаваемой на долото. Резко ухудшается показатели работы долота, возникает аварийная ситуация с бурильным инструментом. Применение «жесткой» КНБК, с ухуд­ шенной проходимостью по стволу может привести к заклиниванию, прихвату инструмента. Предложенная КНБК с удалением первого ОЦЭ от долота, с увеличенным расстоянием между центраторами обеспечивает предупреждение потери устойчивости в любой секции КНБК, лучшие условия работы долота на забое. Такая КНБК при от-

133

сугствии над долотного калибратора является по существу «маятни­ ковой» компоновкой, обеспечивающей сбитне кривизны, в случае ис­ кривления по геологической причине или каких-то непредвиденных обстоятельств.

Эффективность работы «маятниковой» КНБК резко повышается при условии точного выбора расстояния от долота до центратора - /ц и установки над центратором УБТ диаметром с/2 < d \ - диаметра УБТ, между долотом и центратором. Формула для определения /ц = /т/к (/т/к - расстояние от долота до точки касания УБТ с нижней стенки наклонного ствола скважины с зенитным углом а) имеет вид:

где E J - жесткость КНБК, кгм2; / - стрела прогиба системы, м.

(6.6)

2

du б/уБт (^заблвиг) - диаметр долота, УБТ (забойного двигателя), м. По формуле (6.5) можно определить Д/к при любом значении о,

однако для предупреждения искривления вертикальной скважины и вертикального участка ствола наклонной скважины величину а тре­ буется ограничить значением 1,5°...2,0°.

В табл. 6.2 приводятся результаты расчета /ц = /т/к для различ­ ных соотношений диаметров долота и УБТ в составе КНБК, предна­ значенный для снижения зенитного угла ствола скважины, равного а = 1,5°; 2°. В скважине диаметром 295,3 мм с УБТС1 - 0 203 мм, значение /ц, рассчитанное по формуле (6.5), составляют при а = 1,5°; /ц = 24,04 м; при а = 2°; /ц = 22,4 м. Здесь следует отметить, что в от­ личие от приведенного выше КНБК для предупреждения искривле­ ния вертикального ствола скважины, в «маятниковой» КНБК для сби­ тая кривизны следует установить над центратором, УБТ меньше­ го диаметра, например, диаметра 178 мм, вместо 203 мм. Длина УБТ 0 178 мм ограничивается требованиями предупреждения аварии - прихвата, заклинки инструмента. В наклонном стволе при столь не­ большом значении зенитного угла а = 1,5...2,0° длина УБТ практи­ чески не влияет на потерю устойчивости КНБК. Объясняется это тем, что даже при а = 1,5...2,0° спущенный в скважину бурильный инст­

134

румент под действием поперечной составляющей веса колонны, ло­ жится на нижнюю стенку ствола скважины, потеряв при этом устой­ чивость системы первого порядка. Для того, чтобы произошла по­ теря устойчивости второго порядка, чтобы КНБК оторвалась от ниж­ ней стенки, требуется приложение продольной осевой нагрузки, рав­ ной критической нагрузке второго порядка P^i, величина которой значительно превышает величины осевой нагрузки на долото. Отме­ тим также, что при применении КНБК, включающей: долото, кали­ братор, УБТ (при роторном бурении) или долото, калибратор, забой­ ный двигатель в процессе бурения, когда осевая нагрузка на долото превышает значение Р ^ , то калибратор работает, как отклонитель, способствующий набору кривизны.

6.1.2.Применение ступенчатых неориентируемых КНБК для предупреждения

искривления скважины

Ступенчатые КНБК широко используются при бурении скважин, в основном, с целью обеспечения плавности перехода элементов КНБК с одного диаметра и жесткости на другой. При этом, как пра­ вило, производится уменьшение этих параметров снизу (от долота) вверх к бурильной колонне. Рекомендуемые соотношения диаметров долота, УБТ, бурильных (обсадных) колонн следующие [27]:

Жесткость УБТ, обеспечивающая успешный спуск обсадной ко­ лонны [34]:

d ~ rfwi/УБТ

Применение ступенчатых по жесткости секций УБТ повышает устойчивость системы от продольного изгиба, следовательно предста-

135

вляется возможность увеличить осевую нагрузку на долото. В рабо­ те [67] дано аналитическое решение по определению и с применением метода интегрирования дифференциального уравне­ ния изгиба системы. Однако использование этих решений сопряже­ но с большим объемом вычислительных работ, в том числе при со­ ставлении алгоритма для программирования. Используя метод по­ тенциальной энергии, весьма удобный для инженерных расчетов,

где — - изменяется от 0 до 1,0; Ув, У,„ /в, /„, qlb qB- соответственно

/кр1

полярный момент инерции, длина и вес одного погонного метра труб верхней и нижней секций КНБК. Результаты расчета системы с обеи­ ми шарнирными опорами на нижнем и верхнем концах (д = 1) пред­ ставлены в табл. 6.3 и на рис. 6.1,6.2. Формула (6.10) при JB=7„; qA = qH принимает вид формулы Эйлера (6.1). Сравнивая результаты расчета Лф1и /xpi для 2-х ступенчатой КНБК с одноступенчатой видно, что для одних и тех же сочетаний размеров УБТ и для 2-х ступенчатой КНБК на 10... 12 % больше, чем для одноступенчатой. На практике

Таблица 6.3

Критическая осевая нагрузка на долото, критическая длина утяжеленной бурильной трубы первого порядка в двухжесткостной системе компоновки низа бурильной колонны

136

широко используются 2-3-х ступенчатые КНБК. Например с долотом 0 295,3 мм часто применяют следующее сочетание диаметров УБТ в составе КНБК - 229x219x203 мм с бурильными трубами 139,7 мм (127 мм); при долоте 0 215,9 мм применяют КНБК с УБТ: диаметра­ ми - 178x165,1x158,8 (146) мм с бурильными трубами 0 127 (114) мм. В [69] приводится упрощенный метод определения Рщ>для ступен­ чатой КНБК.

6.2.Исследование ступенчатой неориентируемой КНБК

внаклонно направленной скважине. Прихватобезопасная КНБК

Целью исследования ступенчатой КНБК в наклонно направлен­ ной скважине является разработка универсальной модели КНБК, обе­ спечивающей предупреждение прихвата инструмента и одновремен­ но эффективное управление процессом искривления скважины без применения ориентируемого отклонителя. На рис 6.3 приведены схе­ ма расположения ступенчатой КНБК с центратором и расчетная схе­ ма КНБК (рис. 6.4) в прямолинейно-наклонном стволе скважины. Из рисунка видно, что на всей длине КНБК от точки А (долото 2), до точки Е, касание элементов компоновки происходит в точках - В (центратор 3, диаметром Дц); С, Д , Е - соответственно УБТ диамет­ рами Д2» Дз>Д»- Следовательно на длинах секций УБТ разного диаме­ тра “ h» h, /з, h между этими точками - опорами системы КНБК ис­ ключается возможность прихвата инструмента под действием диф­ ференциального давления в системе скважина-пласт, или прилипания инструмента. В результате вся длина КНБК - ZKHBK = А+ h+ /3+ /4 ста­ новится прихватобезопасной длиной. Отсюда следует, что при про­ ектировании и бурении наклонно направленных скважин на интер­ валах ствола, где по профилю предусматривается безориентированное бурение, необходимо применять прихватобезопасные КНБК. Ре­ шение задачи по созданию прихватобезопасной КНБК сводится к оп­ ределению длин секций /у, при которых элементы КНБК (забойный двигатель, УБТ) касаются нижней стенки ствола скважины в точках, и одновременно к определению величин реакции на долоте, на опор- но-центрирующих элементах, угла перекоса оси КНБК у долота, - для управления процессом искривления скважины. Исследованию по­ ведения неориентируемых КНБК посвящен ряд работ [70, 71, 72, 73]. Однако, в них не получены зависимости, описывающие процесс искривления скважины, нет оценки влияния отдельных факторов на процесс. Для решения задачи низ бурильной колонны представляет­ ся в виде 4-х опорной статически неопределимой балки (системы),

138