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

/т/к, М

16

Рис. 6.8. Зависимостьрасстояния от долота с калибратором до первой точки касания КНБКс нижней стенкой ствола отзенитногоугла ствола скважины. Состав КНБК: долото 0215,9 мм, калибратор 0215,9мм в сочетании - при турбинном бурении:

1 - ЗТСШ-195; 2 - ЗТСШ-195; 3- ЗТСШ-172;

П р и м е ч а н и е : Жесткость ЗТСШ1-195 EJ= 0,96-104 кН-м2; длина турбобу­ ра 25,7 м; вес турбобура GT =47,9 кН; вес 1 п. м.-<7т= 1,86 кН/м.

151

центратора на расстояние Л = 10 м, а 2-го центратора на расстояние /2 = 6 м от первого центратора, нагрузки, составляет на долото R\ =

=7,098 кН; на 1-й центратор - R2 = 11,835 кН, на 2-й центратор Л3 =

=17,694 кН и в точке касания УБТ с нижней стенкой ствола скважи­ ны Rt = 5,214 кН при /3 = 9,56 м.

При аналогичных условиях и установке над 2-м центратором УБТ

0 146 мм. Нагрузки на долото и опорно-центрирующие элементы значительно меньше и составляют: R\ = 6,949 кН; Л2 = 13,659 кН; /?3 = = 12,278 кН; R* = 3,204 кН при /3 = 10,33 м.

Из приведенного расчета видно, что установка разгрузочного цен­ тратора способствует выравниванию величин прижимающих усилий на ОЦЭ, улучшает условия передачи на долото осевой нагрузки, пре­ дотвращению осложнения в скважине. При использовании одного цен­ тратора нагрузка на него Rn имеет наибольшее значение. Установка разгрузочного центратора на расстоянии ~ 6,0 м от первого центра­ тора и при EJ2 < EJ\, q2 < q\ обеспечивается наибольший эффект.

6.3.2. Оценка влияния осевой нагрузки надолото напроцесс искривления наклоннойскважины при применении

неориентируемой КНБК

Известно, что осевая нагрузка на долото как один из основ­ ных параметров режима бурения, оказывает заметное влияние на про­ цесс искривления скважины. В данном параграфе исследуется влия­ ние Ga на процесс искривления скважины, когда используется неориентируемая КНБК. Влияние Ga выражается через результирую­ щую силу Гд (Лд), возникающую на долоте от действия продольных и поперечных сил.

а) Рассматривается поведение КНБК, состоящей из долота и УБТ, в прямолинейно-наклонном стволе скважины при действии осевой нагрузки на долото.

Дифференциальное уравнение, описывающее упругое деформи­ рованное состояние КНБК, записывается в виде [74]:

E J = -Rx ~Gy + |[ ( у - Tj)^cosa + (х - £ ) g r s i n a ] . (6.34)

где Ra - реакция на долоте, G - реакция забоя от осевой нагрузки на долото, q - масса погонного метра КНБК, х, у, ц, £ - координаты те­

152

кущего сечения в рассматриваемом участке КНБК, а - угол наклона скважины. Примем, согласно [74] в качестве начальной апроксимирующей функции уравнение вида:

где/ - стрела прогиба, равная полусумме диаметра долота Дд и тур­ бобура (УБТ)Д т.

Так как осевая нагрузка на долото во время бурения значитель­ но превышает величину продольной составляющей направляющего участка, то ее влиянием на процесс искривления можно пренебречь.

Тогда выражение (6.34) после подставки в нее (6.34, а) примет

Выражения для углов наклона и прогибов упругой оси КНБК оп­ ределяются путем двойного интегрирования (3.12). Граничные усло­ вия для нахождения постоянных интегрирования следующие:у(0) = 0; У(х) = 0(опора шарнирная); и у\ё) = 0; / W e) = 0 и уе = / Решение задачи сводится к нахождению /т/к - расстояния ОА от долота до точки касания, Яд и 0Д по формулам:

По формулам (6.37), (6.38) представляется возможность оценить влияние Ga на Ля (F J и 0Д при различных значениях/ а, жесткостных и весовых параметрах элементов КНБК и на этой основе регу-

153

лировать процесс искривления силы. Приведенная КНБК чаще всего используется при вскрытии продуктивного пласта, в условиях, ко­ гда из-за небольшого интервала бурения возможное уменьшение зе­ нитного угла не окажет существенного влияния на величину общего отхода забоя скважины от вертикали, но в значительной степени уменьшает риск возникновения аварийной ситуации, ввиду просто­ ты конструкции КНБК.

Рассмотрим поведение КНБК, включающей долото, калибратор (центратор), забойных двигатель (УБТ). С целью некоторого упроще­ ния решения задачи принято, что жесткость и вес погонного метра эле­

Втабл. 6.8, 6.10 приводятся результаты расчета и оценке влия­ ния Ga на отклоняющее усилие на долоте для 2-х КНБК - долото х калибратор х УБТ и долото х УБТ.

Впервой компоновке Fa имеет знак «+» и направлен на набор кривизны. Из табл. 6.8 видно, что с увеличением Ga при одном и том же значении а величина Faувеличивается. Значение Fa более заметно возрастает с увеличением а. Из данных табл. 6.8 видно, что в КНБК без калибратора - картина несколько обратная. С увеличением Ga при a=const Рд уменьшается, а с увеличением а интенсивность роста Fa больше, чем в первой КНБК.

154

Таблица 6.8

Таблица 6.10

Таблица 6.11

155

Здесь Рд имеет знак «-» и направлена на сбитне кривизны (на­ правление реакции на долоте совпадает с направлением оси орди­ нат расчетной схемы).

В табл. 6.9 и 6.11 приводятся расчетные значения расстояния от долота до первой точки касания КНБК с нижней стенкой ствола сква­ жины в зависимости от Ga и а.

6.3.3.Разработка мероприятий по предупреждению прихвата

бурильного инструмента

В процессе бурения наклонных скважин, особенно горизонталь­ ных (ГС) и с большими отклонениями ствола от вертикали, нижняя часть бурильного инструмента - КНБК под действием поперечной составляющей массы находится в состоянии прижатой к нижней стенке ствола скважины.

Известно также, что в процессе бурения в системе «скважинапласт» действует репрессия (дифференциальное давление - АРдиф).

Проявление АРдиф в максимальной степени происходит в пери­ од, когда глинистая корка на стенках скважины еще не намыта. Си­ ла прижатия N бурильного инструмента под действием АР^,ф опре­ деляется по формуле:

где S - площадь контакта бурильной колонны (КНБК) со стенкой скважины.

Расчеты показывают, что величина N может доходить до значе­ ний, при которых грузоподъемность вышки не позволит поднять бу­ рильную колонну из скважины, и тогда происходит прихват инст­ румента.

При исследовании данной проблемы не рассматривается влия­ ние смазочных добавок на величину коэффициента трения р и, соот­ ветственно, на величину силы трения Рф, определяемой по формуле:

Задача предупреждения прихвата инструмента сводится к умень­ шению величину N за счет уменьшения площади контакта - S и ве­ личины АРдиф. Так как АРдиф зависит от плотности бурового раство­ ра, величина которого не подлежит изменению в пределах, больших,

156

чем установленное значение по условиям совместимости бурения, то уменьшение АРт^ возможно только путем использования момента естественного снижения эффекта от его действия при окончании об­ разования глинистой корки на стенках скважины.

Уменьшение величины N возможно различными путями, в том числе за счет уменьшения весовой составляющей КНБК. Однако наи­ более эффективным путем следует считать уменьшение величины S, что может быть достигнуто применением прихватобезопасной КНБК (рис. 6.3; 6.4)

Конструкция прихватобезопасной КНБК защищена авторским свидетельством на изобретение [75]. Например, при использовании прихватобезопасной КНБК-1 (табл. 6.5) общая длина ZKHEK при а = = 90° составляет 18,87 м. Это означает, что при вскрытии пласта в течение проходки ствола длиной h ~ 19 м в период коркообразования прихват инструмента не произойдет, так как касание КНБК про­ исходит в точках.

Поскольку в процессе бурения, особенно при роторном бурении, длина УБТ в нижней части бурильной колонны превышает безопас­ ную длину, равную ~19 м, то необходимо ограничить проходку на долото. Известно, что проявление ДРднф затухает по мере намыва глинистой корки. Понятно, что нижняя часть КНБК в наибольшей степени подвергается действию, ДРдиф так как первой приходит во взаимодействие с вскрытым разрезом горной породы.

Вместе с тем, как было отмечено выше, нижняя часть КНБК дли­ ной / к н б к не контактирует со стенкой и, следовательно, не подверга­ ется действию Д/'диф. Отсюда следует, что процесс углубления сква­ жины - проходка на долото и механическая скорость - следует ре­ гулировать таким образом, чтобы прихватоопасная часть КНБК ло­ жилась на нижнюю стенку тогда, когда процесс коркообразования будет завершен. Это условие может быть достигнуто при ограничении механической скорости бурения V^x и проходки на долото Лд. Регули­ рование Vuai и Лдпроизводится следующим образом. Известно, что вре­ мя намыва корки зависит от величины водоотдачи (фильтрации) буро­ вого раствора, АРдиф, от других факторов. На скорость фильтрации действует ряд факторов, но, если принять, что время окончания намы­ ва корки /к равно 0,5 часа, то VMtxможно определить из соотношения:

157

Следовательно, фактическая Уыек не должна превышать 38 м/ч, а проходка на долото ha < 19 м.

Понятно, что Vmx в пределах 38 м/ч довольно высокая, особенно для роторного способа бурения.

Однако, при турбинном бурении эта величина вполне реальная. Что же касается бурения горизонтального ствола, то часто, особен­ но, когда долото разбуривает горную породу с вертикальными тре­ щинами, механическая скорость может значительно превышать ука­ занную величину. Именно по этой причине при бурении горизонталь­ ных скважин возникают прихваты инструмента. Одним из основных направлений решения данной проблемы является, помимо отмечен­ ных выше, организация прерывистого долбления. Имеется в виду прекращение процесса углубления скважины после проходки ство­ ла длиной, равной / к н б к > промывки в течение некоторого времени, примерно 10... 15 мин, в зависимости от состояния скважины, в те­ чение которого завершится процесс интенсивного коркообразования, и затем продолжить бурение.

Такие остановки процесса углубления за период полного долб­ ления могут быть несколько раз в зависимости от величины про­ ходки до полной отработки долота. Такой технологический прием позволит одновременно обеспечить дополнительную очистку сква­ жины, так как при прекращении углубления промывка скважины про­ должается. Безусловно, к мероприятиям по предупреждению прихва­ та инструмента относится также применение высококачественного бурового раствора с высоким содержанием смазочных добавок, рас­ твора на углеводородной основе, учет коллекторских свойств про­ ходимых горных пород.

6.3.4. Расчетдлины УБТ надориентируемым отклонителемкривым переводником

В настоящее время при бурении наклонно направленных, гори­ зонтальных скважин для изменения зенитного угла и азимута широ­ ко используется ориентируемая КНБК, включающая винтовой забой­ ный двигатель с регулируемым отклонителем между валом и шпин­ делем в сочетании с телесистемой с гидравлическим каналом связи - MWD. Однако, известная ориентируемая КНБК - кривой перевод­ ник в сочетании с УБТ, устанавливаемого над забойным двигателем (турбобур, ВЗД) все еще имеет широкое применение на практике изза простоты конструкции и достаточно высокой эффективности. В

158

связи с этим представляет интерес определение длины УБТ /$|т над кривым переводником. Этому вопросу посвящен ряд исследований [41, 71]. Однако в этих работах расчетная формула для определения

/убт имеет сложный вид, неудобный для практического использова­ ния. В результате исследования поведения КНБК с кривым перевод­ ником в наклонном стволе скважины, путем исключения отдельных незначимых факторов, получено следующее выражение для /yj-г:

(6.46)

где £ /убт - жесткость УБТ, кНм2; ^увт - масса погонного метра УБТ, кН/м; ак/„р - угол изгиба кривого переводника, градус; 57,3 - коэф­ фициент перевода градусов в радианы; а - зенитный угол ствола скважины, градус.

В табл. 6.12 приводятся результаты расчетов по определению длины УБТ над кривым переводником в КНБК-1 и КНБК-2.

При применении кривого переводника процесс искривления сква­ жины происходит путем фрезерования стенки скважины под дейст­ вием отклоняющего усилия на долоте. Положение КНБК при этом следующее: долото прижато к верхней стенке ствола (при наборе кривизны), кривой переводник упирается в нижнюю стенку скважи­ ны, часть длины УБТ над отклонителем упирается в верхнюю стен­ ку, другая часть УБТ - обратная ветвь выпученной части надотклонительных труб ложится на нижнюю стенку ствола скважины. В ре­ зультате КНБК контактирует с верхней (нижней) стенками либо в точках, либо на отрезках небольшой длины. В результате КНБК с кривым переводником, по существу, является прихваобезопасной частью бурильной колонны. Именно по этой причине прихват инст­ румента, когда в скважине находится КНБК с кривым переводни­ ком, явление на практике крайне редкое. Буровикам известен при­ ем, когда в процессе бурения происходит отключение электроэнер­ гии, то производится разгрузка инструмента на забой, создается ис­ кусственный продольный изгиб колонны с несколькими полуволна­ ми - точками касания нижней части бурильной колонны о стенки скважины, за счет точечного касания, после подачи электроэнергии удается избежать прихвата и поднять инструмент. Этот факт подтвер­ ждает прихваобезопасное состояние КНБК с кривым переводником в стволе скважины.

159