автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Технология проводки наклонно направленных скважин с применением полуавтоматических опорно-центрирующих элементов

//1ч * , ' — ^ /4 и ж и — £/

Iу / ^ ^ V,/ / / V/ ъг ^ у

АКЦИОНЕРНАЯ НЕФТЯНАЯ КОМПАНИЯ «БАШНЕФТЬ»

БАШКИРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ НЕФТИ (БашНИПИнефть)

На правах рукописи УДК 622.243.23:622.24.05

Самушкин Владлен Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВОДКИ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИХ ОПОРНО-ЦЕНТРИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.15.10. Бурение скважин

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук Янтурин А.Ш.

Уфа 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ^

1. Опорно-центрирующие элементы для проводки вертикальных,

7

наклонно направленных и горизонтальных скважин '

7

1.1. Характеристика, терминология, назначение 7

1.2. Классификация ОЦЭ и анализ существующих конструкций 9

1.2.1. Лопастные ОЦЭ Я

1.2.1.1. Выдвижные калибраторы 49

1.2.1.2. Усовершенствованные конструкции лопастных ОЦЭ

1.2.2. Шарошечные ОЦЭ 24

1.2.3. Гидравлические ОЦЭ 30

34

1.2.4. Центраторы забойных двигателей

1.2.5. Центробежные ОЦЭ

1.2.6. Эксцентричные ОЦЭ 32

1.2.7. Радиально-упругие, амортизаторные и демпферные ОЦЭ 32

1.3. Основные недостатки серийных конструкций ОЦЭ и технологии их применения. Выбор направления исследований 34

2. Аналитические исследования КНБК. Выбор диаметров ОЦЭ. Анализ влияния параметров КНБК на работу долот и устойчивость траекторий стволов наклонных скважин 38

2.1. Расчет КНБК для участков стабилизации зенитного угла и азимута наклонно направленных и горизонтальных скважин 33

2.2. Исследование устойчивости различных конструкций КНБК к воздействию горно-геологических и технологических факторов проводки наклонных скважин 50

2.2.1. КНБК с калибратором 56

2.2.2. КНБК со стабилизатором 70

2.2.3. КНБК с калибратором и стабилизатором 76

2.2.4. КНБК с двумя калибраторами 35

3. Разработка конструкций полуавтоматических

{02

ОЦЭ с выдвижными лопастями

3.1. Калибратор модели КПр 405

3.1.1. Описание конструкции и функциональные особенности 405

3.1.2. Промысловая отработка и особенности эксплуатации 409

3.2. Радиально-центрирующий спиральный калибратор модели КС /24 3.2.1 Влияние радиально-центрирующих и радиально-упругих

устройств на технологию проводки скважин

3.2.2. Описание конструкции калибратора модели КС 427

3.2.3. Анализ результатов промысловых испытаний. Влияние калибраторов модели КС на технологический процесс проводки наклонных скважин 4 30

3.3. Калибраторы ЭН модели «эксцентричный ниппель». Исследование работы КНБК с эксцентричным ниппелем регулируемого эксцетриситета смещения ^^

3.3.1. Влияние эксцентричных ОЦЭ на процесс проводки наклонно направленных скважин 444

3.3.2. Конструктивные особенности калибраторов модели ЭН /43

3.3.3. Анализ результатов промысловых испытаний калибраторов модели ЭН

4. Результаты исследований работы полуавтоматических ОЦЭ на практике. Авторский надзор за внедрением в производство 45?

4.1. Требования к конструированию и качеству изготовления ОЦЭ 457

4.2. Технология повышения износостойкости рабочих поверхностей ОЦЭ 458

4.3. Стендовые испытания и промысловая отработка опытных образцов ОЦЭ 4Ь\

4.3.1. Стенд для испытаний и калибровки ОЦЭ. Испытания и

отработка опытных образцов на стенде ш

4.3.2. Промысловые испытания и авторский надзор за внедрением

\66

ОЦЭ

Заключение. Основные выводы и рекомендации Список литературы ш

Приложения Ш

А. Результаты промысловых испытаний и внедрения ОЦЭ в

производство. 4

А.1. Акты проведения промысловых испытаний и отработки

ОЦЭ по скважинам. №

A.2. Технические условия ТУ 03-189-98. 22В Б. Диаметры ОЦЭ для стабилизации зенитного угла. 248 Б.1. Скважины диаметром 120,6 мм.

Б.2. Скважины диаметром 152, 4 мм. 253

Б.З. Скважины диаметром 215,9 мм. 25?

Б.4. Скважины диаметром 295,3 мм. 262

B. Расчет экономической эффективности внедрения полуавтоматических калибраторов 26?

В. 1. Аннотация и технико-экономическое обоснование 267

В.2. База сравнения и метод расчета эффективности 267

В.З. Исходные данные и расчет годового экономического эффекта. 269

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время при бурении вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин с целью повышения качества проводки ствола и управления параметрами его искривления, снижения возможностей возникновения осложнений и улучшения технико-экономических показателей бурения скважин применяются опорно-центрирующие элементы (ОЦЭ), к которым относятся калибраторы, центраторы и стабилизаторы, входящие в компоновку нижней части бурильной колонны (КНБК). Как известно, данные устройства в значительной степени способствуют осуществлению запроектированных режимов бурения и повышению показателей работы долот /54 /. Они обеспечивают возможность увеличения осевой нагрузки на долото и повышения частоты его вращения, что, в свою очередь, приводит к росту механической скорости проходки /36 /. Рациональное применение рассматриваемого инструмента позволяет правильно распределить нагрузки, действующие на опоры шарошек, что повышает долговечность долот и увеличивает проходку за рейс на одно долото. При бурении лопастными и другими долотами этот инструмент обеспечивает возможность уменьшения крутящего момента. Кроме того, использование опорно-центрирующих устройств благотворно сказывается и на качестве цементировочных работ в скважине. В случае бурения глубоких и сверхглубоких скважин введение опорно-центрирующего инструмента в бурильную колонну обязательно /90/. Это позволяет предотвратить вредное желобообразование на стенках скважины, ликвидировать неровности на них, избежать сужения ствола, а также исключить необходимость проработки и расширения ствола при посадке нового долота.

Но вместе с тем, эффективное использование ОЦЭ и, как следствие, удешевление стоимости проводки скважин до настоящего

времени в определенной мере сдерживаются несовершенством известных методик выбора конструкций КНБК и их геометрических параметров с указанием, в частности, величины равновесного угла для каждого типоразмера компоновки, условий стабилизации направления ствола как по зенитному углу, так и по азимуту, недостаточными исследованиями КНБК с радиально-упругими, демпферными и амортизаторными ОЦЭ, практическим отсутствием результатов аналитических исследований КНБК с эксцентричными ОЦЭ, обеспечивающих тот или иной вид принудительного вращения низа бурильной колонны в скважине с целью оперативного управления траекторией ствола, наблюдающимся на практике неучетом при выборе вооружения и размеров рабочих органов ОЦЭ условий взаимодействия их со стенками ствола скважины, механической прочностью разбуриваемых пород, а также незавершенностью начатых в свое время в отдельных нефтедобывающих регионах разработок по выбору конструкций КНБК повышенной устойчивости к воздействию горно-геологических и внешних технологических факторов.

В данной работе объектом исследований и технических разработок явилось создание полуавтоматических ОЦЭ повышенной износостойкости - устройств для центрирования низа бурильной колонны при строительстве наклонно направленных и горизонтальных скважин для целей нефте- и газодобычи, а также для возможности проработки и расширения скважины по всему стволу или по отдельным его интервалам. Приведены результаты промысловых испытаний разработанных конструкций ОЦЭ в режиме работы калибраторов, стабилизаторов, эксцентричных ниппелей, по которым представлены рекомендации по рациональному их применению в КНБК на основе расчета их рабочих диаметров для стабилизации зенитного угла.

1. ОПОРНО-ЦЕНТРИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ДЛЯ ПРОВОДКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ, НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ТЕРМИНОЛОГИЯ, НАЗНАЧЕНИЕ

Опорно-центрирующие элементы являются особым видом технологического бурового инструмента для управления траекторией и диаметром ствола скважины в процессе бурения. К ним относят калибраторы, центраторы и стабилизаторы, входящие в компоновку нижней части бурильной колонны. Они применяются при проводке вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин с целью повышения качества ствола и управления параметрами его искривления, снижения возможности возникновения осложнений и улучшения технико-экономических показателей бурения скважин/5//-Отличаются они друг от друга в основном по месту расположения в бурильной колонне и по длине.

Калибратор - калибрующее опорно-центрирующее устройство, предназначенное для расширения и калибрования ствола скважины по диаметру долота, центрирования и снижения радиальной вибрации долота и вала забойного двигателя, улучшения условий их работы, а также управления параметрами искривления ствола /4, 35,36, 85/.Его устанавливают непосредственно над долотом, иногда - между секциями утяжеленных бурильных труб (УБТ).

Согласно исследованиям А.Г.Калинина, необходимость применения калибраторов вызывается тем, что при бурении в твердых породах формируется ствол, поперечное сечение которого отличается от окружности, имеет форму многоугольника с числом вершин на единицу больше числа шарошек или лопастей долота /35,56,94 / ■ При этом диаметр ствола по просвету меньше диаметра использованного долота, но спуск шарошечного долота по такому

стволу протекает нормально в результате проскальзывания шарошек по вершинам полученного многоугольника. Кроме того, вследствие износа опоры и вооружения калибрующий диаметр долота после бурения некоторого интервала уменьшается, что приводит к снижению диаметра скважины. При бурении же в мягких и средней твердости породах в результате радиальной вибрации стойкость долота и межремонтный период работы забойных двигателей уменьшается. Длина калибратора соответствует 0,8-3 диаметрам долота, а его номинальный диаметр равен, как правило, диаметру последнего /54 /■

Центратор - опорно-центрирующее устройство, предназначенное для центрирования нижней части бурильной колонны и забойного двигателя с целью стабилизации параметров искривления ствола и управляемого изменения зенитного угла скважины /47 /. Они улучшают условия работы долот и забойных двигателей за счет предотвращения возникновения или уменьшения отклоняющей силы на долоте. Устанавливаются центраторы на корпусе забойного двигателя или в колонне бурильных труб. В первом случае они называются центраторами забойного двигателя, во втором - колонными центраторами /32 /. Длина центратора соответствует 3-8 диаметрам долота, а по диаметру он выполняется равным или на несколько миллиметров меньше последнего /54 / -

Стабилизатор - опорно-центрирующее устройство, предназначенное для стабилизации параметров искривления ствола и центрирования бурильной колонны / 30 /. Он может устанавливаться непосредственно над калибратором или в каком-либо другом месте КНБК, а также на корпусе забойного двигателя. Длина стабилизатора для роторного бурения может достигать 50 диаметров долота, но не превышает 12 м, а его рабочий диаметр подбирается по диаметру скважины /34 / •

Таким образом, нетрудно заметить, функции калибратора, стабилизатора и центратора примерно одни и те же. Поэтому в США, Канаде и ряде других стран весь опорно-центрирующих инструмент носит единое название стабилизаторов и не подразделяется ни на калибраторы, ни на центраторы.

За рубежом различают наддолотные и колонные стабилизаторы. Первые устанавливаются непосредственно над долотом или переводником, а последние обычно встраиваются в верхней части КНБК. Нередко стабилизатор выполняется как часть корпуса долота, что особенно характерно для алмазных долот. Он может быть частью снаряда для отбора керна или бурильной головки.

Все указанные опорно-центрирующие устройства, помимо своих основных функций, также уменьшают поверхность контакта низа бурильной колонны со стенками скважины и предотвращают или снижают возможность возникновения заклинивания и прихвата бурильной колонны / 36 /.

Расстояния от долота до места установки ОЦЭ определяются расчетным путем исходя из назначения КНБК: борьба с искривлением ствола, стабилизация, набор или снижение зенитного угла скважины (см.разд.2).

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОЦЭ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Номенклатура запатентованных, выпускаемых промышленностью и используемых в бурении ОЦЭ весьма многообразна. Их условная классификация по конструктивным признакам и месту расположения в КНБК приведена на рис.1.

Наиболее часто встречающиеся на практике типы ОЦЭ рассмотрим более подробно.

Рис. i . Классификация опорно-центрируших элементов .

1.2.1. Лопастные ОЦЭ

Одними из самых распространенных типов ОЦЭ являются лопастные калибраторы и стабилизаторы, предназначенные для калибрования ствола скважины в мягких и средних породах и стабилизации положения бурильной колонны в процессе бурения. Отечественной промышленностью выпускаются и наиболее широко используются в бурении калибраторы моделей КЛ (с продольными относительно оси корпуса прямыми лопастями), КСИ (со спиральными лопастями) и СТ (с наклонными прямыми лопастями). Каждый из них может быть изготовлен в неразъемном и разъемном исполнении/36, 5\, ЬЪ/.

Калибратор КЛ в разъемном исполнении (рис.2, а) состоит из корпуса 1, сменной муфты 2, приваренных к ней лопастей 3, породоразрушающих элементов 4 и уплотнительного кольца 5. Корпус изготовляется из стали марки 40ХН с резьбами сЦ и с^ для соединения с бурильной колонной и резьбой ¿з под муфту 2. Муфта и лопасти - из углеродистой стали марки 40. Уплотнительное кольцо изготовляется из упругого материала и обеспечивает герметизацию зазора между корпусом и муфтой. В неразъемном исполнении (рис.2,б) состоит из корпуса 1, лопасти 2 с породоразрушающими элементами. Корпус представляет собой стальную бесшовную горячедеформированную трубу, изготовленную согласно ГОСТ 8731-74 с центральным проходом для промывочной жидкости. По обоим концам корпуса выполняются одинаковые конические замковые резьбы сЦ по ГОСТ 5286-75. Лопасти изготовляются из стали марки 40. Они выполняются в виде одинаковых планок со скошенными концами и армируются по периферийной, наружной и передней боковой поверхностям. Внутренней поверхностью каждая лопасть накладывается на корпус параллельно его оси на одинаковом удалении одна от другой и закрепляется на нем сварными швами. В качестве породоразрушающих

РеъьЬД а

Ей с

. 2. Лопастные калибраторы:

а - модификации ЮТ, . • б - модификации Щ-.1 , в - модификации КСИ,

N3

стаоилизатор алмазный.

элементов 3 обычно применяют твердосплавные вставки с плоской головкой. Промежутки между этими вставками наплавляются трубчато-зерновым релитом. В качестве породоразрушающих элементов могут быть использованы зерна дробленого вольфрамо-кобальтового твердого сплава (например, марки ВК-8), закрепляемые чугунным припоем, как в лопастных долотах.

Калибратор КСИ (рис.2, Ь ) отличается от калибраторов вышеописанных конструкций спиральной формой выполнения лопастей 3. Корпус 1, муфта 2, уплотнительное кольцо 5 и породоразрушаюгцие элементы 4 выполнены таким же образом, как и в калибраторе КЛ.

Среди зарубежных конструкций лопастных (плашечных) ОЦЭ в России наиболее широкое распространение получили стабилизаторы, выпускаемые ведущими американскими фирмами-производителями -«Drilco», «Security», «Baker Hughes INTEQ»/5159, М6ГН7, 120/.

Фирмой «Drilco» выпускаются стабилизаторы нескольких разновидностей, наибольший интерес вызывают ребристые и плашечные стабилизаторы.

Ребристый стабилизатор похож на лопастной калибратор Кл (см.рис. 2, а), но отличается от него крайне небольшой высотой рабочих органов 1 (рис.3, а) - ребер или выступов, составляющих обычно единое целое (т.н.моноблок) с корпусом инструмента или съемной муфтой 2. Съемная муфта может быть изготовлена из резины, алюминия или другого мягкого материала, не повреждающего внутренние стенки обсадной колонны. Количество ребер может быть равным четырем или шести в зависимости от размера стабилизатора. Ребра, как правило, выполняются параллельно образующим и оси муфты. Муфта обладает возможностью ограниченного продольного и свободного торсионного перемещения по наружной поверхности трубного корпуса. Это позволяет ей не вращаться с корпусом при

Рис. 3. Стабилизаторы фирмы "ЪгЛсо " а - ребристый;б - со сменной муфтой; в - сменная муфта.

контакте с обсадной колонной, но при ловильных работах она может входить с ним в зубчатое торцовое зацепление 3, как показано стрелками на рис. 3, а.

Плашечный стабилизатор (обозначается ИЛ¥Р) фирмы «Бпко» состоит из трубного корпуса, вставных плашек треугольного поперечного сечения и стопорных приспособлений. В корпусе выполняются продольные пазы под плашки. Плашка представляет собой сменный рабочий орган, точнее ту часть его, которая несет калибрующую поверхность, армированную обычно твердосплавными вставками. Это поверхность �