автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Разработка и исследование регуляторов азимута нефтяных и газовых скважин

министерство науки, высшей школы и технической политики российской федерации

уфимский ншшой институт

разработка и исследование регуляторов азимута неяпяшх и газовых сквашн

05.04.07. - Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

чистов дмитрий игоревич

Уфа 1992

Работа выполнена на кафедре Нефтепромысловая механика Уфимского нефтяного института

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Султанов Б.З.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Калинин А.Г.; кандидат технических наук -Шайдаков-В^В;--

Ведущее предприятие - Уфимское управление буровых работ

Защита состоится " ое/бМ*/^ 1993г.

в _^£^часов на заседании специализированного совета К063.09.02 при Уфимском нефтяном институте по адресу: 460062, г.Уфа, ул.Космонавтов, I.

С диссертацией можно ознакомиться в тохархиве УНИ.

Ученый секретарь специализированного Совета канд.техн.наук.

В.П.Жулаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важнейшая энергетическим сырьем стратегического значения в настоящее время и блкжайгае десятилетия остаются нефть и газ. Основнш резервом роста их добычи в первую очередь является улучшение технико-экономических показателей буровое работ» путей использования новых, совершенных технических средств и технологий их применения, особенно при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин. В свяаи с этим предъявляются более жесткие требования к качеству строительства ствола сквакни, поскольку этот фактор является основном в достижении цели снижения стоимости буровых работ. Поэтому, проблема качественной проводки скважин, а именно эффективное регулирование траекторией ствола, в особенности по аошуталькоцу углу, является актуальной.

В настоящее время имеется значительный объем данных по работе неориентифуеиых ННБК и способов их применения, обеспечивающих регулирование величиной зенитного угла скважины. Однако, сравнительно высокие скорости проходки при кустовом бурении, технологические операции по забуриванию горизонтальных стволов из уже пробуренных скважин, требует обеспечения проводки ствола по проектному профили уже на начальной стадии бурения. Ихзнно поэтому^од-ной из актуальных проблем наклонного бурения является разработка новых технических средств обеспечивающих возможность регулирования значением азимутального угла скважины, как путем его изменения, так и стабилизацией, с учетом влияния геологического и субъективного факторов.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка и исследование регуляторов азимута нефтяных и газовых скважин.

Основные задачи работа

I. Аналитические и лабораторные исследования по обоснованно использования силового гироскопического устройства как средства для осуществления регулирования азимута ствола скважины.

к. Опытно-конструкторские работы по созданию работоспособных конструкций технических средств для регулирования азимута с обоснованней их основных параметров.

Научная новизна работы. Обосновано применение гироскопического эффекта дм регулирования азимутальным углом ствола скважины путем использования специальных устройств с автономно вращающейся массой.

Впервые доказано влияние продольных и поперечных колебаний КНБК на величину возникающего гироскопического момента и добавочной азицутальной силы на долоте. Причем установлено, что добавочная азимутальная аила возрастает с увеличением частоты продольных колебаний КНЕК и уменьшается с ростом юс амплитуды.

На основании проведению исследований определены рациональные значения основных параметре» гироскопических регуляторов: осевого момента инерции и скорости вращения автономной массы. ,

Практическая ценность:

1. Созданные в результате теоретических и экспериментальных исследований новый тип технических средств - гироскопические регуляторы азимута с автономно вращающейся массой обеспечивает возможность регулирования величиной азимута скважины.

2. Применение разработанных регуляторов азимута позволяет априорно прогнозировать направление азимутального искривления путем варьирования направлениями прецессии я собственного вращения ав-

тономной массы.

В частности, использование регуляторов типа СА-1М позволяет решить проблецу стабилизации азимута с учетом коррекции на геологический характер естественного искривления ствола скважины.

3. Предложено устройство для управления КНШ в скважине, работа которого основана на накате центрирующей втулки на стенку скважины, позволяющее повысить эффективность процесса бурения за счет* возмонности регулирования искривлением ствола без проведения спуско-подьемннх операций.

Реализация работы в промышленности. Конструкции регуляторов азимута типа СА использовались при бурении'14 скважин в условиях Уфимского, Бирского и Нефтекамского управлений буровых работ ПО"Башефть" и ПО"Когалымнефтегазп.

Техническим заданием на НИиОКР корпорации "Роснефтегаз" планируется использование опытной партии гироскопических регуляторов типа ГРА-195 на буровых предприятиях Российской Федерации в период 1992-1993 гг.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- 39-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии ( г.Уфа, 1988 г. )

- '¿-Л Всесоюзной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" ( г.Тюмень, 1989 г. )

- 5-й Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение горных пород при бурении" ( г.Уфа, 1990 г. )

- Научно-технической конференции "Совершенствование методов поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений" ( г.Пермь, 1991 г. )

- Международной конференции "Механика горных пород при бурении

( г,Грозный, 1991 г. )

- семинарах кафедры нефтепромысловой механики УНИ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и защищаемых положений. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 48 рисунков. Список использованных источников включает 96 наименований.

Публикации. Основные положения диссертации помещены в одиннадцати печатных работах, из них - четыре статьи и два изобретения, а такке в пяти-научно-исследовательскхсштчетаз—УНИтто— темам: № 514 за 1988, 1989, 1990, 1991 гг., £ 5112 за 1990 г.

СОДЕЙШМЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертационной работы, определена цель и дана ее общая характеристика.

В первой главе представлен анализ факторов, вызывающих изменение азимутального угла скважины. Исследованию механизма и причин искривления ствола скважины посвящены работы Александрова М.М., Биишева А.Г., Васильева Ю.С., Гержберга D.M., Григоряна H.A., Григулецкого В.Г., Гулизаде Ы.П., Динника Л.Н., Ишеыг^и-на Е.И., Иоанесяна P.A., Кагарманова Н.Ш., Калинина А.Г., Лягова A.B., Мавлютова М.Р., йамедбекова O.K., Поташникова В.Д., Сафиул-лина P.P., Середы А.Г., Сулакшина С.С., Султанова Б.З., Сушона Л.Я., Янтурина А.1. и др. Эти исследования ориентированы в основном на установление закономерностей искривления по зенитному углу.

Однако, с увеличением в последнее время объема кустового наклонно-направленного и горизонтального бурения, механических скоростей и повышения требований к качеству проводки ствола сква-кшш, объективно встала задача сконцентрировать внимание на причи-

нах азимутального искривления.

Систематизируя имеющиеся результаты исследований в данном направлении учеными ввделяются следующие основные факторы, влияющие на механизм искривления ствола скважины в азимутальном направлении - это геологический, технологический и субъективный. Причем, в конкретных условиях удельная доля влияния каждого из слагающих изменяется в большом диапазоне принимаемых значений.

Регулирование азимута скважины можно осуществлять двояким образом: либо путем применения ориентируемых в стволе скважины способов искривления, что связано с замером пространственного положения применяемого забойного оборудования, либо путем неориентированного бурения. В последнем случае направление искривления заранее известно, а его величина определяется стахостически.

Проведенный обзор существующих технических средств регулирования азимута свидетельствует о том, что проблема регулирования азимута решается в основном стахостическим учетом геологического и технологического факторов, или путем разработки специальных забойных компоновок, использующих уже тлеющуюся широкую гамму серийного оборудования,а именно,опорно-цедтрирущих элементов (ОЦЭ).

Современный уровень развития технических средств регулирования азимута полностью объясняется исследованными направлениями теоретических работ, описывающих азимутальное искривление при движении КНШ. Большое количество аналитических исследований посвящено вопросам влияния "наката" долота на'боковую стенку скважины и расчету конструктивных параметров КНБК с ОЦЭ, зачастую без учета динамического характера работы бурильной колонны.

Анализ данных работ позволил установить, что одним из перспективных направлений осуществления регулирования азимута скважины является использование гироскопического эффекта, преднамерен-

но создаваемого в КНБК в процессе бурения.

Попытка оценить влияние гироскопического аффекта на изменение азимута была предпринята в 50-е - 60-е годы в работах Гулиэаде Ы.П. и Пауса Ф., в которых авторы пришли к выводу о неэффективности данного способа. Гу-лизаде М.П., в частности, рассматривает влияние гироскопического момента, создаваемого валом турбобура цри прецессии определяемой механической скоростью бурения, получая при этом значение гироскопического момента Игир. ~ 0,3..Л,2 -Нл^-Необходимо-отмегить^-что-в-данных-исследованиях-не-принимал-— ся во внимание.динамический характер работы КНБК, возникающий при взаимодействии вооружения долота с разбуриваемой горной породой. В работах Балицкого П.В., Балицкого В.П., Векерика В.И., Габдра-химова М.С., Дранкера Г.И., Йшемгужина E.H., Керимова З.Г., Копы- ■ лова В.Е., Лебедева Н.Ф., Лягова A.B., Мавлютова Ы.Р., Мирзадаан-заде А.Х., Огородникова П.И., Попова А.Н., Султанова Б.З., Эйге-леса P.M., Янтурша А.Ш. и др. показано, что колебательные процессы в ННЕК вносят существенные коррективы в процесс бурения, в частности могут оказывать влияние на .скорость проходки. Следовательно, имеющие место продольные й поперечные колебания КНБК способны кратно усилить влияние гироскопического аффекта, создаваемого специальным устройством на возможность регулирования азимута. При этом упомянутое устройство также долино обладать автономностью вращения своей гироскопической кассы.

Фундаментальные основы теории гироскопии, представленные в работах Явлинского АЛО., Крылова А.Н., Николаи Е.А., Лельпора Д.С. и др. подтверждают цравильность данных положений. Поскольку, для создания значительной величины гироскопического момента необходимо, чтобы гигроскопическое тело обладало существенной величиной кинетического момента, либо его црецессионное движение про-

исходило с болышш мгновенным значением угловой скорости.

Резшируя результаты проведенного анализа можно следупциы образом сфорцулировать задачи исследования в данной работе. В связи в отсутствием в настоящее время технических средств, а также исследований по возможности преднамеренного создания в использования гироскопического момента вННБК, необходимо, теоретически и экспериментально обосновать возможность регулирования азимута-путем использования специальных забойных технических средств.

Вторая глава посвящена аналитическому обоснованно использования гироскопического'эффекта для регулирования аэиыута сква-аины. Рассматривалась компоновка нишей части бурильной колонны, включающая забойный двигатель, на валу которого размещается устройство гироскопического типа ( в дальнейшем именуемое такяэ "регулятор азимута", "гироскоп" ). Устройство состиот из корпуса с переводниками и автономно вращавшейся массы па жестких опорах. Таким образом, корпус ре1уяятора азимута вращается на валу забой-ногодвйгателя с частотойвращения долота , а автономная гироскоштёская пасса с собственной частотой • ¿Ыиая

КНЕК, находящаяся в наклонно-криволинейюы стволе сквадаш под действий! осевой силы Р и распределенной нагрузки от веса единица длины ' составятцяс ее элементов» претерпевает изгиб и на долоте возникает поперечная отклошшцая сила $ При этом, под действием данной силы $ и осевой Р. за некоторый промежуток времена А? , КНЕК совершит движение по некоторой дуге кривизной к . Это перемещение можно описать законами' свободного движения твердого тела. По мере формирования долотом криволинейной траектории ствола скважины, продольная ось гироскопического устройства изменит свое положение в пространстве. Данное движение гироскопического устройства в

составе КНШ, которое мокно рассматривать как поворот на некоторый угол {¡/ со скоростью прецессии вокруг мгновенной оси, способствует» по теореме Резаля, возникновению гироскопического момента, стремящегося развернуть продольную ось гироскопа в плоскости ортогональной прецессионного движения. Величина этого момента определяется как

Мгир. = М сиг 'Я-м7/0, <I >

где - осевой момент инерции гаросксго1ческой_ыассщ

^ - угол ыевду направлениями векторов, и С?, Поскольку преимущественными направлениями прецессии при механической бурении являются технологические операции по набору или снижения» зенитного угла, следовательно плоскость действия гироскопического момента будет совпадать с азимутальной плоскостью, тоесть Поэтому, цутем изменения направлений прецес-

сии С? и собственного вращения > можно добиться зара-

нее прогнозируемого направления изменения азимута скважины. А именно, для увеличения азимута, при одновреыешоы_сниненш ¡значения зенитного угла ( положительное направление ) необходимо обеспечить левое ( взгляд с устья ) вращение гироскопической массы, а для уменьшения азимута -^.правое. И наоборот, при отрицательном направлении скорости (набор зенитного угла ), для увеличения азимута необходимо правое, а для уменьшения - левое направления вращений. Данные утверждения, вытекающие из закона прецессии гироскопов были визуально регистрированы на пакетном образце КНБК. Для того, чтобы иметь представление о величине изгибающего момента в КНЕК, что немаловажно при проектировании конструкций регуляторов, статическом значении отклоняющей силы на

на долоте от веса ее алементов КНЕК, были проведены аналитические исследования статического упруго-напряженного состояния компоновки, содержащий регулятор азимута.

Рассматривалась описанная вшэ компоновка низа бурильной колонны с гироскопом под действием тех не нагрузок РU CJk-Модель КНБ1С включала три участка с различными жесткостями:

I участок - на длине регулятора азсаута, П участок - на длине "вылета" вала забойного двигателя (БД)' до радиальной опоры шпинделя и Ш участок - на дгоше ЗД до точки касания с нижней стенкой скважины. Решения составленных дифференциальных уравнений упругой линии КНЕК, позволяют судить о величине изгибающего момента в КНШ я поперечной отклоняющей силы на долоте Q при значениях осевой нагрузки Р = 100 и 150 кЯ и зенитного угла =10...

...40°. Сопоставляя полученные результаты с аналогичными данными работ йвемгукина Е.Й., Лягова A.B., Султанова Б.З. нами установлено, что введение в рассмотрение на участке П вала ЗД не вносит каких-либо качественных изменений, а лишь количественно корректирует картину упруго-напряженного состояния КНЕК. А именно, цри

Р * 100 кН и а = 20°, изгибающий момента по верхне- переводнику составляет МйЗс, = 3280 Н.м при .учете жесткости вала ЗД и Ми32. -.4200 Н.м, без ее "рассмотрения.

Как уже отмечалось, возникающие при работе долота колебательные процессы в- КНЕК вносят существенные коррективы при определении скорости прецессии'и создаваемого гироскопического момента регулятором азкыута с автономно зращащейся массой. Принимая, в первом приближении, гармонический характер колебаний и на основании принципа суперпозиции, колебания центра масс гироскопа в продольном и поперечном направлениях ыояно записать в виде

Az-Sin.Wzf. (2)

yithAi costotf, <3>

которые происходят под действием возмущающих осевой Ptt) и поперечной отклоняющей Ш сил.

Pffh Ра COSUliti ( 4 )

QtfhQc Mstoft, (5)

где ^ hi т соответственно, амплитуды продольных грунтовых— я поперечных колебаний бурильного инструмента; U^ Щ - «фуговые частоты продольных грунтовых и поперечных колебаний; Pq - амплитуда динамической составляющей осевой

силы при действии наиболее энергоемких грунтовых колебаний;

амплитуда динамической составляющей поперечной отклоняющей силы на долоте. Зная параивтрическупфориу траектории движения центра масс гироскопа, определили динаыичёскую составляющую скорости прецессии.

; Угловая ско^юсеь прецессии * определяется как

Q«.

Ш

<б)

где к - кривиана участка траекторш двихения,

либо

/ У

.Ii

/ У

( 7 )

Используя выражения по ( I ) и ( 2 ) и про-

изведя преобразования получаем:

Ai 'йу At Шг & '&5uu>t*óu> cas eat

в Í ■■!.... ... i ijC 8 )

где

dctf* Cüi-Ctif

Знаки штос и минус соответствуют движение с падением и набором зенитного угла, соответственно. При равенстве Cüj и ¿t?j получаем частный случай движения по дуге эллипса со скорость!) равной

Q _ + ArAsL'Wj

Áí'Cas^t + Afs/ab/rf 9

Если учесть, tiro за время одного цикла колебаний центра масс гироскопа, посяедаийодновременно перемещается на величину Xcm.j пргс механической скорости ¡¿f¿# = 30 м/ч, за jf

I сек. - Хст. « 8 мм, что сопоставимо с Á¿ = 3...5 мм.

являешь

Поэтому абсолютной траекторией движения центра кассТнекоторая кривая из семейства циклоид. Причем знак кривизны центральной оси обусловлен направлением отадоиящей силы $ на долоте. Как видно иэ выражений ( 8 ).» ( 9 ) скорость является переменной величиной. Очевидно, амплитудное значение ее зависит от

амплитуд линейных скоростей по направлениям X н У . Для » ' . -скорости X временной интервал достижения максимального значения равен четверти периода колебаний и при -= 100 с-1", составляет J f = 0,0157 с. Таким образом, из-за малости интер-

чяпя ^ значения угловой скорости прецессии и следовательно возникавшего гироскопического момента можно рассматривать как непрерывную последовательность мгновенных максимумов. Возникающий, при прецессии по циюгавде, гироскопический момент можно представить в виде суммы

ЫМ6Х.

где гЧгир - гироскопический момент, создаваемый вращающейся

массой устройства-при-дв11жении~по~дуге~1!ривизной— .равной кривизне ствола скважины со скоростью механического разрушения горно" породы забоя;

ит.

!¡ща, - гироскопический момент при скорости прецессии обусловленной- продольными и поперечными колебаниями центра «асе устройства.

Создаваемый регулятором азимута гироскопический момент, момент сил инерции Кариолнса, через опоры и корпус передается на вал забойного двигателя. За счет наличия гарантированного радиального зазора в опорах забойного двигателя, а также податливости материала Их обкладок, гироскопический момент, действующий на вал забойной) дикшателя способствует 'созданию добавочной от-клонякицей С!Йш нй долоте, действующей' в плоскости азимута. Величина добавочной. силы определяется слодупции образом:

/х >СОг -Ъскм ( п )

'аз--

где ¿/м)г " расстояние оз долота до точки касания забойного . деигагегя со стенкой сквашшы. . Используя получоннкэ зависимости' ( 9 ) и ( II ) были определены числешгке зиа^цш и . ¿раз. • Расчеты провэди-•лись при слсд-ккцях параметрах: Дц = 3,0...5,0 мм, /4/ =

= 2,0 j :э,0 мм, Cú¿ = 62,8...168 что соответствует вращению долота со скоростью ~ ¡200.. .600 иин"^, Cüg = = 300...800 с-1 Jz = 0,05; 0,1; 0,15 Н.ы.с2,

Результаты расчетов показали, что величина силы Qa3 изменяется в пределах 200...600 Н в зависимости от параметров устройства и технологического режима бурения. Кроме этого, расчетами установлено, что при разбуривании более крепких пород, при неизменности технологического режима, действие Гироскопического момента, а следовательно и силы {¿¡аз ~ уменьшается.

Третья глава посвящена разработке технических средств и способов их применения для регулирования азикута нефтяных и газо-внх скванин, приведены их основные параметры. Основное место в данной главе определено разработке конструкций гироскопических регуляторов азимута типа C/t-I, CA-IM и ГРА-Х.

На основании проведенных во второй главе исследований по использованию гироскопического эффекта для регулирования азимута установлено, что для осуществления поставленной задачи посредством применения забойного силового гироскопического аппарата необходимо, чтобы последний обладал автономностью вращения СЕОей массы, с частотой кратпо превышающей частоту вращения долота. Данное положение и было положено в основу разработки гироскопических регуляторов азимута. Регуляторы азимута представляют собой силовые забойные устройства гироскопического типа, основным элементом которых является автономно вращающаяся на ¡жестких опорах масса ( вал ), приводимая гидравлическим движителем. В качестве двини-телей использовались радиальная турбина - сегнерово колесо, в конструкциях типа СА, и многоступенчатая осевая турбина в конструкции типа ГРА-1.

В конструкциях типа СА полость размещения опор выполнялась

иасдонаполненной с герметизацией торцовый уплотнениями на базе материала ТМ-1, разработанный Уйй и ВеиНИПИнефгь. Конструкция торцовых уплотнений обладала гидравлическим коэффициентом разгрузки ¿¿¡(¡¿г/). в 0,57. ..0,65. Производился расчет движущего момента и рабочего числа оборотов сегнерова колеса: по известнш уравнениям гидромашин.

Окончательные значения параметров колеса принимались с учетом потерь на механическое и гидравлическое трение в узлах регулятора типа СА.

Регулятор азимута ( устройство для направленного бурения ) типа ГРА-1 является усовершенствованной конструкцией регулятора типа СА-1М, Преимуществои конструкции ГРА-1 является ее расширенные функциональные возможности при направленном бурении, поскольку она позволяет изменять направления вращения автономно вращающейся массы в процессе бурения, без проведения спуско-подаемных операций. С этой цель» в ГРА-1 предусмотрено наличие двух гидравлических движителей - основного, выполненного в веде сегнерова колеса и реверсивного, выполненного в веда осевой многоступенчатой осевой турбины. Дутеы принудительного байпассцрованюг рабочей жидкости через тот или иной двигатель, и происходит смена направления вращения.

Выбор основных конструктивных параметров осевой многоступенчатой турбины осуществлялся на основе расчетов по известным зависимостям осевых турбомашин П.П.Шумилова, в диапазоне изменения коэффициента циркукятивности 0 = 0,3...0,7.

Разработана также конструкция устройства для управления компоновкой нижней части бурильной колонны в скважине. Устройство включает центрирующую втулку, принудительно вращающуюся на валу. Принудительное вращение осуществляется за счет прокачивания рабо-

чей жидкости через шлюзы героторного механизма, размещенного между валом и центрирующей втулкой. Устройство выполнено с возможностью изменения направления вращения центрирующей втулки, частоты ее вращения и момента, за счет изменения гидравлического режима работы, или использования специальных конструктивных элементов, сбрасываемых во внутреннюю полость бурильного инструмента с поверхности. Данное устройство позволяет регулировать направление искривления скважины, как по зенитному углу, так и по азимуту.

Для определения основной рабочей характеристики натурного образца гироскопического регулятора азимута типа СА-1М, его кинетического момента // ^ были проведены лабораторные измерения угловой скорости вращения вала. Измерительные работы проводились в условиях Уфимского УБР ПО"Башнефть", на буровой установке учебного комбината. Измерение частоты вращения вала производилось косвенным способом, путем определения частоты вибрации в опорах, в процессе прокачивания через регулятор промывочной жидкости. Регистрация спектра частот радиальной вибрации производилась при помощи вибродиагностического анализаторе машинного оборудования фирмы С5! /7)0(/ё1 2/10• Полученное значение кинетического момента - 197,89 Н.м.с, хорошо согласуется с расчетными данными полученными с учетом потерь на трение.

В четвертой главе представлены результаты промышленных испытаний разработанных регуляторов азимута.

С целью выявления работоспособности конструкций разработанных гироскопических регуляторов азимута типа СА определения влияния их применения на изменение траектории ствола скважины, в период 1969-1992 годов бьио проведено опытное бурение на 14 скважинах на месторождениях разбуриваемых Уфимским, Нефтекамским и

Бирским ( Западносибирский регион ) Управлениями буровых работ ПО "Башнефть".

Промышленные испытания гироскопических регуляторов азимута проводились в различных горно-геологических условиях и технологических режимах бурения при проводке наклонных скважин долотами диаметром 215,9 и 295,3 мы. Бурение осуществлялось забойными двигателями: турбобурами ЗГСЖ-195, 2ТСШ-240 и электробурами Э-190. Исследовательские работы проводились в интервалах 500...822 м. -

-в-условиях-Уфш>лского-УБР^-460^-г1800-м—в-условиях-Бирского-УБР-,-

и 420...1100 ы - в условиях Нефтекамского УБР. В процессе бурения регуляторы азимута типа СА включались в состг.в КНЕК маятникового типа, а такие КНЕК в сочетании с калибраторами типа 12КСИ, 9Ш1 габарита 214...215,9 мм и 295,3 мм, центраторами СН-214, ВЦ-295,3 и РСТК, СТК габарита 209...212 мм.

Анализ данных инклинометрических замеров позволяет констатировать, что при бурении компоновкой: долото, регулятор азимута типа СА-1, электробур Э-190/6РВ с системой телеметрии СТЭ, утяжеленные бурильные трубы диаметром 178 мм - 25 м, стальные бурильные трубы диаметром 127x9 мм, с нагрузкой на долото 80...100 кН, с увеличением среднего значения зенитного угла в интервале бурения интенсивность падения последнего возрастает, а интенсивность изменения азимутального угла уменьшается.

При бурении с использованием регулятора азимута типа СА-Ш, в условиях Уфимского УБР наблюдалась следующая тенденция: при бурении с регулятором азимута левого вращения, и действия маятникового эффекта, происходит изменение азимутального угла в сторону его увеличения, а бурение с регулятором правого вращения приводит к уменьшению азимута. Например, на скв. 1334 Искринской площади при бурении КНЕК с регулятором азимута СА-Ш правого вра-

щения, в интервале 660...852 ы наблюдается уменьшение азимута с интенсивностью = -2°/100 м, а при бурении с CA-IM левого

вращения - увеличение азимута, причем, в интервале 560...680 м -

¿A = +1°/Ю0 м ( при расходе промывочной жидкости 4^= 23 дм3/с ), а в интервале 852. ..1037 м - Сл = +£°Л00 ы ( при ^иг = 31 дм3/с ). Зависимость интенсивности искривления L& от расхода промывочной жидкости является очевидаой. Поскольку, применяемые в конструкции СА-Ш гидравлические движители - сегнеро-вы колеса приводят во вращение гироскопическую массу с величиной кинетического момента, прямо пропорциональной подаче бурового на- 1 coca.

Для определения влияния гироскопического момента создаваемого вращающимся валом СА-Ш на азимут, был проведен специальный про- | мнсловый эксперимент. Суть его заключалась в использовании регулятора правого вращения с "заклиненным" салом. Эксперимент проводился на скв. 990 месторождениях "Дружное" ПО"Когалымнефтегаэ" в интервале 504...1054 м. В данном случае CA-IM выполнял функцию тяжелого удлинителя вала турбобура. Инклинометрические замеры по данному интервалу свидетельствуют о характерном поведении КНШ без

действия на нее гироскопического момента, т.е. увеличение азиму-*

та = +3,0 град/100 и. Поскольку, при бурении долотами

МЗГВ-З в данных интервалах азимут увеличится. Так, по скв. 4054, 6194, 4062 месторождения "Дружное" ¿^ соответственно равны +2,6°, +2,5°, +3,8° на 100 м проходки.

Результаты проведенных промысловых испытаний гироскопических регуляторов азимута типа CA-I и CA-IM подтверждают правомерность полученных аналитических выводов о возможности использования специального забойного устройства, создающего гироскопический момент на валу забойного двигателя, для регулирования азиыу-

та . £ частности, по результатам опытного бурения мошо утверждать о возможности компенсации естественного азимутального искривления ствола обусловленного геологическим строением разбуриваемых пород. Так же подтверждена зависимость направления действия добавочной отклоняющей силы на долоте в азимутальной плоскости от направления вращения гироскопической массы регулятора азимута и направления ее прецессии. Анализируя систематизированный промысловый материал по работе КНВК с СА-1Ы мы видим, что при левом враще-

нии вала гироскопа и положительном направлении~искривленшпго-зе-— нитному углу азимут уменьшается ( при правом вращении - увеличивается ). Противоположные зависимости изменения азимута от направления вращения вала гироскопа получаются при смене направления скорости прецессии.

Резюмируя вышеизложенное, можно утверждать, что полученные нами промысловые результаты свидетельствуют о достижении относительной стабилизации ствола по азимуту при помощи изменения направлений вращения гироскопической массы и скорости ее прецессии.

ОСНОВНЫЕ вывода И ЗАИДОЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЙ •

1. На основании проведенного анализа технических средств и способов регулирования азимута~ ствола скважины установлено, что до настоящего времени отсутствовали устройства и способы бурения скважин, использующие гироскопический эффект, а существующие -имеют< значительный процент брака.

2. Впервые показано, что одним из способов неориентированного регулирования, в частности стабилизации, ствола направленного участка скважины могут быть компоновки ( КНЩ ) использующие гироскопический эффект, создаваемый специальным забойнш устройством.

3. Установлено, чго для обеспечения регулирования азимута

скважины« гироскопическая масса устройства должна обладать автономностью вращения с частотой, кратно превышающей частоту вращения долота.

4. Теоретическими исследованиями установлено, что в процессе бурения компоновкой с включением гироскопического устройства, на долоте возникает добавочная азимутальная отклоняющая сила Qcy, Направление указанной силы определяется направлением вращения гироскопической массы, а также направлением скорости прецессии. При левом вращении массы ( взгляд с устья ) и положительным значением скорости прецессии, которое соответствует бурению с падением зенитного угла, действие азимутальной отклоняющей силы способствует увеличению азимута. При правой направлений вращения -уменьшению.

В случае отрицательной скорости прецессии левое вращение -уменьшат азимут, правое - увеличивает.

5. Теоретически установлено, что при бурении забойными двигателями, скорость прецессии является геометрической суммой угловой скорости iÎ^ повороте центра масс гироскопического устройства при движении с механической скоростью бурения по дуге с кривизной, равной кривизне ствола скважины, а также угловой скорости возникающей от одновременного действия продольных Ai^ ¿Un и поперечных t Cûj колебаний КШЗС. Причем, величина угловой скорости ¥ногс> больше величины ÇPtff^

Показано, что угловая скорость {¡гЬм. зависит от амплитуд продольных /¡g и поперечных Af колебаний центра масс, а также от частоты колебаний . -

Представлены аналитические; исследования статического упруго-напряженного состояния КНБК содержащей гироскопический регулятор азимута. Получено изменение отклоняющей силы на долоте Lf от

осевой нагрузки и величины зенитного угла ствола скважины.

Доказано, что величина возникающей на долоте добавочной азимутальной отклоняющей силы составляет 40...60 % от величины силы С( •

6. Установлено, что величина добавочной азимутальной отклоняющей силы увеличивается с ростом собственной скорости вращения долота, и уменьшается с ростом амплитуды продольных колебаний.

7. Обоснованы основные параметры гироскопических регуляторов

азимута: величина момента инерцшвращающейсямассыичастота вращения.

На основании аналитических исследований рекомендованы их следующие расчетные значения: момент инерции массы Уг = 0,10...

р т '

...0,12 Н.м.с , скорость ее вращения - = 3000 мин ( для

сегнерова колеса ) и /7^ в 7000...8000 мин-* - для осевой многоступенчатой турбины.

Разработаны, изготовлены и испытаны гироскопические регуляторы азимута типа СА-1М. В результате проведенных промысловых испытаний на 14 скважинах в условиях Уфимского, Бирского ( Западносибирского региона ) и Нефтезшмского управлений буровых работ ПО "Башнефть", конструкция СА-Ш признана работоспособной.

9. Разработана на уровне изобретения конструкция устройства для направленного бурения типа ГРА-1 ( с вращателями в виде сегнерова колеса и осевой турбины ). Представлены гидродинамические расчеты вращателя в виде высокоскоростной турбины, для выбора параметров последней.

10. Разработана на уровне изобретения конструкция устройства для управления КИЕК в скважине, принцип работы которого основан на накате автономно вращающейся центрирующей втулки на стенку екЕажины.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Опытное бурение наклонно-направленных скважин с использованием гироскопического регулятора типа РА/А.В.Лягов, Р.Р.Сафиул-лин, Б.З.Султанов, Д.И.Чистов// Тез.докл.2-й Всесоюзн.науч.-техн. конф. Нефть и газ Западной Сибири.- Тюмень, 1989.- 180-190 с.

2. Промысловые испытания регулятора азимута гироскопического типа PA-l/Лягов A.B., Чистов Д.И., Сафиуллин P.P., Шашев Р.Х. //Современные проблемы буровой и нефтепромысловой механики:Межвуз. темат.сб.науч.тр.Дфимс.нефт.ин-т.- Уфа» 1990.- с.136-141.

3. Применение гироскопического регулятора азимута для бурения наклонно-направленных скважин/Лягов A.B., Чистов Д.И., Сафиуллин P.P., Сулейманов H.H.//Тез.докл. 5-й Всесоюзн.науч.-техн. конф. "Разрушение горных пород при бурении скважин"- Уфа.- 1990.

4. Васильева О.П., Лягов A.B., Чистов Д.И. Регулятор.азимута гироскопического типа/Тез.докл. Всерос.студ.науч.конф.- Уфа. 1990.- с.26.

5. Компоновки нижней части бурильной колонны с гироскопическим регулятором азимута для бурения наклонно-направленных сква-жин/А.В.Лягов, Д.И.Чистов, Б.З.Султанов /Дез.докл.Междунар.конф. "Механика горных пород при бурении"- Грозный,- 1991,- с.93.

6. Чистов Д.И. Опыт применения гироскопического регулятора азимута в условиях Западной Сибири //Тез.докл.науч.-техн.конф. "Совершенствование методов поиска, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений. Пермь- 1991. с.62-63.

7. Результаты применения гироскопического регулятора азимута в условиях ПО"Баинефть"/А.В.Лягов, Д.И.Чистов, Б.З.Султанов, В.И.Сулейманов/^Гр.БашНМШнефть, Вып. 86.- 1992.- с.162-169.

8. Чистов Д.И. Расчет компоновки низа бурильной колонны с гироскопическим регулятором азимута //Современные проблемы буро-

вой и нефтепромысловой механики.: Межвуз. теыат. сб.науч.тр./Уфиыс. нефт.ин-г. Уфа, 1992.- C.20-H6.

9. Использование гироскопического эффекта при безориентированном бурении наклонно-направленных скважин/А.В.Лягов, Б,З.Султанов, Д.И.Чистов, Е.Ф.Дубровин// Нефтяное хозяйство.- М.: Недра. №6.- 1992.- с.15-17.

10. A.c. 1680920 ШИ Е21В7/08 Устройство для управления компоновкой нижней части бурильной колонну// А.В.Лягов, Б.З.Султанов; -ЕиМ&фиуллин,-Д.ИД1СТОв^-Е.ХЛ)ыашев-/Опубл^Зй.09.91. Б.И. Заявлено 21.03.69.

11. A.c. I6825I3 ГШ E2IB7/08 Устройство для направленного бурения //Д.И.Чистов, А.В.Лягов, Б.3.Султанов, Р.Р.Сафиуллин/ Опуб. 07.10.91. Б.И. №37. Заявлено 27.10.89.

Соискатель ^з^/ата/^— Д.И.Чистов

Подписано к печати он. г г у г

Формат бумаги 60x84 I/I6. Бумага шсчая. Печать офсотная. Иеч. листов /Р . Тираж /'со экз. Заказ />AîT

Уфимский нефтяной институт

Ротапринт Уфимского нефтяного института

Адрес института и полиграфпредпршшш: 45UD62, Уфа, Космонавтов, ]