автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Разработка метода проектирования отклонителей и компоновок низа бурильной колонны для наклонного и горизонтального бурения

ЛОР 1^3 На правах рукописи

Повалихип Александр Степанович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОТКЛОНИТЕЛЕЙ И КОМПОНОВОК НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ НАКЛОННОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО БУРЕНИЯ

Специальность 05.15.14 "Техника и технология геологоразведочных работ"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в НПО ОАО "Буровая техника"-ВНИИБТ и на кафедре геологоразведочного бурения Московской Государственной Геологоразведочной Академии.

Научный руководитель: академик РАЕН, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.Г.Калинин.

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук А.С.Волков.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Доктор технических наук, профессор Л.А.Лачинян Кандидат технических наук М.И.Ворожбитов

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: Подмосковная экспедиция глубокого бурения

Защита состоится ^^ 1998 года в ^ часов на засе-

дании диссертационного совета Д.063.55.01 в Московской Государственной Геологоразведочной Академии в аудитории 415-а по адресу: 117485 г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке МГГА Автореферат разослан 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор ^ А.М.Лимитовский

Актуальность работы.

В настоящее время свыше 75% всех скважин на нефтяных и газовых месторождениях России бурятся наклонно направленным способом, а в таком крупном нефтегазодобывающем районе, как Западная Сибирь - почти 90%.

В связи с увеличением смещения ствола от вертикали при строительстве скважин в шельфовой зоне морей и вблизи природоохранных территорий, развитием горизонтального способа бурения осуществляется переход на новые виды профиля, включающие только участки увеличения зенитного угла и его стабилизации, причем в целях сокращения длины ствола скважины все искривленные участки профиля проектируются в виде дуги окружности.

При строительстве наклонных и горизонтальных скважин основной проблемой является обеспечение точного выполнения проектного профиля, так как существующие отклонители и компоновки низа бурильной колонны не обеспечивают заданную и постоянную интенсивность увеличения зенитного угла при бурении достаточно протяженного интервала. В процессе проводки наклонной или горизонтальной скважины фактический профиль отклоняется от проектного, в некоторых случаях, уже в интервале бурения участка начального искривления отклонителем.

При бурении каждой второй нефтяной или газовой скважины из-за отклонения фактического профиля от проектного осуществляется корректирование параметров ствола скважины с помощью отклонителя или изменяется технология дальнейшей проводки. Дополнительные рейсы с отклонителем увеличивают стоимость и время строительства скважины, снижают качество ствола скважины.

Повышение точности и качества проводки ствола наклонных и горизонтальных скважины может быть обеспечено за счет повышения надежности работы и устойчивости отклонителей и КНБК на проектной траектории.

Таким образом, в настоящее время становится актуальным разработка научно обоснованной методики расчета параметров отклонителей и КНБК, предназначенных для искривления ствола скважины с постоянной интенсивностью увеличения зенитного угла при бурении в различных горно-геологических условиях.

Цель работы заключается

в разработке метода расчета размеров отклонителей ,и КНБК, предназначенных для искривления ствола скважины с постоянной интенсивностью увеличения зенитного угла, а также для его стабилизации при бурении в различных горно-геологических условиях, с помощью которого можно было бы для конкретных условий и задач направленного бурения выбрать рациональную конструкцию и определить размеры отклонителей и КНБК.

Основные задачи работы:

- разработка требований к жесткостным и линейным параметрам секций отклонителей и КНБК для наклонного и горизонтального бурения;

- создание математической модели отклонителя и КНБК, учитывающей конструктивные особенности забойного двигателя и элементов технологической оснастки низа бурильной колонны и позволяющей определять величину и направление опорных реакций, а также углы перекоса на опорно-центрирующих элементах и на долоте;

- выбор и обоснование критерия оптимизации размеров отклонителя и КНБК;

- разработка метода расчета оптимальных размеров отклонителя и КНБК, предназначенных для искривления ствола скважины с постоянной интенсивностью увеличения зенитного угла;

исследование влияния на работу отклонителя и КНБК радиального люфта вала забойного двигателя, диаметра скважины и изнашивания опорно-центрирующих элементов;

- разработка методики расчета размеров специального отклонителя с двойным изгибом корпуса для управляемого бурения;

- исследование работы стабилизирующих КНБК с оптимальными размерами;

- разработка алгоритмов и программ для ЭВМ, предназначенных для определения оптимальных размеров отклонителя и КНБК;

- проведение промысловых испытаний КНБК и отклонителей с оптимальными размерами.

Методы исследований.

Дня решения поставленных задач были использованы методы теории упругости, теоретической механики, вычислительной математики и программирования, экспериментальные исследования в промысловых условиях.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- установлено, что существуют жесткие, упругие и гибкие от-клонитеяи и КНБК для наклонного и горизонтального бурения;

- разработана математическая модель отклонителя и КНБК в искривленном стволе скважины, учитывающая особенности конструкции базовых забойных двигателей, а также элементов их технологической оснастки;

- установлено, что для искривления ствола скважины с постоянной интенсивностью увеличения зенитного угла КНБК должна включать не менее двух центраторов, а отклонитель не менее двух опорных элементов, геометрические размеры и расположение которых должны соответствовать критерию оптимизации для всего диапазона зенитных углов в интервале искривления;

- разработан метод расчета, позволяющий определять жестко-стные и линейные параметры секций отклонителей и КНБК, предназначенных для искривления ствола скважины с постоянной интенсивностью увеличения зенитного угла;

- установлено, что по технологическим возможностям существуют устойчивые, пассивные и неустойчивые на проектной траектории стабилизирующие КНБК;

- проведен анализ влияния на работу отклонителей и КНБК радиального люфта вала забойного двигателя, изнашивания опорно-центрирующих элементов и увеличения диаметра скважины.

Достоверность научных положений и выводов.

изложенных в диссертации, обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными промысловыми исследованиями, а также результатами испытаний отклонителей и КНБК, жесткост-ные и линейные размеры которых определены с использованием разработанного метода.

Практическая значимость работы заключается:

- в повышении точности и качества проводки наклонных и горизонтальных скважин за счет использования отклонителей и КНБК, искривляющих ствол скважины с постоянной интенсивностью увеличения зенитного угла;

- в повышении надежности работы и устойчивости на проектной траектории отклонителей и КНБК при бурении в различных горно-геологических условиях;

- в разработке метода расчета размеров КНБК базе забойного двигателя и для роторного способа бурения;

- в создании программного обеспечения для ЭВМ, предназначенного для проектирования отклонителей и КНБК с оптимальными размерами;

- в снижении стоимости строительства скважины на 3...5% за счет повышения точности проводки и исключения работ по корректированию траектории.

Реализация работы.

1. Разработанный метод расчета применялся для проектирования КНБК, которыми были успешно пробурены наклонные и горизонтальные скважины на нефтяных и газовых месторождениях в России (Тенгиз, Уренгойское, Крайнее, Муравленково), и за рубежом ( Красна-ЧССР, Белый Тигр-СРВ).

2. В инструкции по забуриванию дополнительного ствола скважин (РД39-0148052-550-88) изложены основные положения метода расчета отклонителей и КНБК с оптимальными размерами.

3. С использованием разработанного метода определены основные размеры отклонителей типа ДГ и элементов их технологической оснастки, предназначенных для бурения горизонтальных скважин по среднему и большому радиусам кривизны.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на 2-ом ме-кдународном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях 2-7 июня 1992 г. в г. Санкт-Петербург "Горный институт") "Бурение горизонтальных скважин как летод повышения газо-нефте-водоотдачи продуктивного пласта", 1а Всероссийской научной конференции в г. Москва 22-25 января 1996 года "Опыт бурения горизонтальных скважин ", на научном ;еминаре в г. Москва 16 декабря 1997 г. "Выбор и расчет компо-10В0К низа бурильной колонны при бурении наклонных и гори-юнтальных скважин".

Публикации.

По теме диссертаций опубликовано 32 печатные работы, в том числе одна книга "Профили направленных скважин и компоновки низа бурильных колонн", М., Недра, 1995 г., и получено 5 Авторских свидетельств.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего ниме-иований и приложений, состоящих из программ испытаний от-клонителей и КНБК и протоколов с результатами испытаний. Работа изложена на 227- страницах машинописного текста, и содержит рисунков таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы исследования.

В первой главе приведен анализ современного состояния проектирования профиля наклонных и горизонтальных скважин, а также отклонителей и КНБК для его реализации.

В данной главе рассмотрены:

- современное состояние проектирования и бурения наклонных и горизонтальных скважин;

- конструктивные схемы и работа отклонителей;

- конструкции и проблемы использования стабилизирующих и искривляющих КНБК;

-известные математические модели расчета отклонителейи КНБК, критерии выбора их оптимальных параметров.

В первой главе изложены также положения, которые выносятся на защиту и определены основные задачи работы.

Во второй главе сформулированы требования к жесткостным и линейным размерам отдельных секций отклонителя и КНБК, что является важным этапом ее проектирования в значительной степени определяющим их функциональные возможности.

В третьей главе приведены математическая модель отклонителя и результаты исследования влияния на его работу зенитного угла, радиального люфта вала забойного двигателя, а также диаметра ствола скважины. Предложен метод расчета оптимальных размеров отклонителей для наклонного и горизонтального бурения, а также специальных отклонителей с двумя изгибами корпуса.

В четвертой главе обоснован критерий оптимизации размеров КНБК, в соответствии с которым угол перекоса долота и отклоняющая сила равны нулю. Проведено детальное исследование искривляющих КНБК с одним и двумя центраторами, на основании которого разработан метод расчета оптимальных параметров искривляющих КНБК. В этой же главе исследуются стабилизирующие КНБК с оптимальными размерами. Установлено, что по технологическим возможностям стабилизирующие КНБК можно разделить на устойчивые, пассивные и неустойчивые на проектной траектории.

В пятой главе приведено описание программ для ЭВМ, которые созданы на основании разработанных алгоритмов и используются при расчете оптимальных размеров отклонителей и КНБК

В шестой главе описаны результаты промышленного использования отклонителей, стабилизирующих и искривляющих КНБК при бурении наклонных (100, 101 Тенгиз, 8 Кгавпа-ЧССР, 552, 524 Муравленково, 5701 Быстринское, 1318, 2016 Холмогорское, 5026, 3288, 5029,5034, 4087, 3138 Крайнее) и горизонтальных скважин (12130 Уренгойское и 815 Белый Тигр - СРВ), а также приведены результаты применения специальных отклонителей для наклонного и горизонтального бурения типа ДГ, при конструировании которых были использован разработанный метод.

В седьмой главе дана оценка экономической эффективности от применения результатов проведенных исследований и разработанного метода расчета отклонителей и КНБК.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

Приложение содержит программы работ по испытанию в промысловых условиях КНБК, акты испытаний отклонителей и КНБК.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю академику РАЕН, заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору А.Г.Калинину за руководство научными исследованиями и ценные замечания при выполнении диссертации.

При проведении исследований автор пользовался советами и консультациями кандидатов технических наук А.С.Оганова, К.М.Солодкого и О.К.Рогачева, за что он им признателен.

Автор благодарит сотрудников лаборатории наклонного и горизонтального бурения и лаборатории винтовых забойных двигателей ВНИИБТ за поддержку и помощь в работе над диссертацией.

Содержание работы.

Краткие сведения по изучаемому вопросу.

Важнейшими элементами технологии строительства наклонной или горизонтальной скважины являются выбор и проектирование отклонителей и КНБК, в значительной мере определяющие качество и точность выполнения проектного профиля.

Для расчета и проектирования отклонителей и КНБК на ос-яове кинематической и статической моделей разработано ряд методик.

Значительный вклад в решение проблемы проектирования отклонителей и КНБК для наклонного и горизонтального бурения знесли отечественные и зарубежные ученые:Балицкий П.В., Бело-эуссов В.О., Бронзов A.C., Бастриков С.Н., Васильев Ю.С., Григорян A.M., Григорян H.A., Григулецкий В.Д., Гулизаде VI.П., Беляев В.М., Буслаев В.Ф., Емельянов Е.П., Иоаннесян ?.А., Кульчицкий В.В, Калинин А.Г., Марков O.A., Мамедбе-<ов O.K., Оганов С.А., Никитин Б.А., Оганов A.C., Прохоренко В.В., Поташников В.Д., Солодкий K.M., Сушон Л.Я., Су-ткшин С.С., Федоров А.Ф., Вудс Г., Лубинский А., Милхайм <.К., КалассН.П., Валкер В.. и многие другие.

Анализ отечественных и зарубежных источников инфор мации, посвященных вопросам проектирования отклонителей г КНБК, а также анализ результатов строительства наклонных \ горизонтальных скважин позволил выявить следующие актуаль ные теоретические и практические проблемы в этой области.

1. Технология бурения наклонно направленных и горизонталь ных скважин недостаточна эффективна из-за отсутствия откло нителей и КНБК, искривляющих ствол скважины с постоянно! интенсивностью увеличения зенитного угла.

2. Фактический профиль скважины отклоняется от проектно го из-за низкой устойчивости отклонителя и КНБК на просктлси траектории.

3. В известных источниках информации отсутствуют рекомен дации по выбору жесткостных и линейных параметров секцш КНБК и отклонителей для направленного бурения.

4. Существующие методы расчета не позволяют определять оп тимальные размеры отклонителя и КНБК, предназначенных дл; увеличения зенитного угла ствола скважины с постоянной ин тенсивностью.

5. В известных методах расчета недостаточно полно рассмотре ны вопросы устойчивости КНБК на проектной траектории.

Обобщение результатов аналитических и промысловых иссле дований по изучаемому вопросу позволило сформулировать еле дующие защищаемые положения.

1. Первое защищаемое положение.

Секции отклонителей и КНБК для наклонного и горизонтально го бурения разделяются на жесткие длина (Ь), которых удовле творяет соотношению 0 < Ь 1.3Зк, упругие, V которых длин находится в пределах 1.3 Зк < Ь € 2.83к и гибкие, длина которы больше длины упругой секции, где:

к, Е.1, Р - масштаб длины, диаметр, жесткость и поперечна составляющая веса единицы длины секции и диаметр долота сс ответственно.

Жесткостные и линейные параметры секций отклонителей и КНБК определяют выбор метода расчета их геометрических параметров.

В наклонной скважине прямолинейных форм равновесия нижней части бурильной колонны не существует. Поэтому при проектировании отклонителей и КНБК для наклонного и горизонтального бурения нельзя использовать рекомендации по выбору жесткостных и линейных параметров, разработанные для вертикального бурения на основе понятия устойчивости бурильной колонны.

Рассмотрим упругое взаимодействие КНБК, включающей долото, направляющую секцию и центратор, с нижней частью бурильной колонны.

На нижнюю часть бурильной колонны кроме реактивного изгибающего момента, обусловленного упругими свойствами КНБК, будет действовать момент от поперечной составляющей веса самой КНБК.

Величина указанных изгибающих моментов зависит от жесткости, веса и длины КНБК и соотношение этих моментов определяет направление угла (0) поворота сечения нижнего конца бурильной колонны.

Если центратор установлен непосредственно над долотом, имеет место защемление нижнего конца бурильной колонны и угол 9 поворота ее сечения на центраторе также равен нулю.

При увеличении расстояния между долотом и центратором, т.е. длины секции КНБК, угол 0 будет также увеличивается до некоторой максимальной величины. При дальнейшем увеличении длины секции за счет момента от поперечной составляющей веса угол 0 будет уменьшаться. Длина КНБК, при которой угол 0 станет равным нулю, составляет 2.83к.

В области длин КНБК 0< Ь <2.83к имеем упругое закрепление нижнего конца бурильной колонны, так как направление поворота сечения бурильной колонны на центраторе совпадает с направлением изгибающего момента, действующего на КНБК. Длина КНБК равная 2.83к ограничивает область существования упругих секций.

Угол ©максимален при длине секции равной 1.33к. При такой длине деформации направляющей секции незначительны и КНБК можно считать жесткой системой.

При длине КНБК свыше 2.83к угол 0 будет отрицательным и момент от продольной составляющей веса бурильной колонны в этом случае будет совпадать с изгибающим моментом от веса секции КНБК.

Это приведет к резкому увеличению деформации КНБК до значений, сопоставимых с радиальным зазором между секцией КНБК и стенкой скважины. При этом секция коснется стенки скважины и КНБК будет работать как маятниковая.

Таким образом, впервые определены области существования жестких, упругих и гибких отклонителей и КНБК для наклонного и горизонтального бурения.

При расчете отклонителей и КНБК, состоящих из жестких секций и шарнирно связанных с бурильной колонной, можно использовать упрощенные методы, в которых деформации не учитываются. Отклонители и КНБК, включающие упругую или гибкую секции, должны рассматриваться как деформируемые системы.

2. Второе защищаемое положение.

Предложенная математическая модель отклонителя в искривленном стволе скважины учитывает конструктивные особенности забойных двигателей и элементов их технологический оснастки, позволяет определять величину и направление опорных реакций, а также угол поворота сечения на опорно-центрирующих элементах и на долоте.

Условия эксплуатации отклонителя в расчетной схеме задаются геометрией ствола скважины и системой действующих на него внешних сил.

Общепринятой является расчетная схема, в которой:

- форма упругой оси отклонителя плоская;

- на отклонитель действуют продольные и поперечные распределенные и сосредоточенные силы;

- долото является шарнирной опорой, а остальные опоры точечными;

- ось ствола скважины дуга окружности.

Вид упругой оси отклонителя, изгибающие моменты и перерезывающие силы в каждом сечении определяются в результате решения системы дифференциальных уравнений (в безразмерном виде):

УГ- х*у/ + р*у/-2 + Ь| = 0

где: у/" - перерезывающая сила; у/ - угол поворота сечения; р - осевая реакция забоя скважины; Ьу - поперечная реакция стенки скважины на _)'-ой опоре,

Уравнение в целях упрощения обезразмерено по параметрам направляющей секции отклонителя с помощью масштаба длины (ш):

где: ЕЛ, g - жесткость и вес одного метра забойного двигателя или УБТ соответственно в кН*м2 и кН/м;

ОС - зенитный угол ствола скважины, град.

Известная расчетная схема недостаточно полно отражает реаль ные свойства конструкции отклонителя и условия его работы.

Отклонители для бурения скважин на нефть и газ созданы на базе секционных забойных двигателей, поэтому каждая секция отклонителя должна иметь задаваемые жесткостные, весовые и геометрические параметры. В аналитической модели должно быть также учтено, что долото в результате фрезерования ствола скважины или радиального люфта вала шпинделя забойного двигателя может смещаться в поперечном направлении.

Опорно-центрирующие элементы могут быть выполнены в виде искривленного переводника, центратора или децентратора различного диаметра.

Перечисленные особенности конструкции и работы отклонителя в математической модели учитываются в безразмерном виде следующими граничными и сопряженно-граничными условиями.

} = 1,2,3.

т=3/щ7^с^Г, (м)

- на долоте: У = 1 у"=0

- на первой опоре

уГ = у/ - 8,

У1 — У2 * а

- на второй опоре

*2 = Уз+г2=й2-{Нг2-,12-,22)

уз' = уз' - 6, У2"= уз"* Ь

- в точке касания корпусом отклонителя или бурильных труб стенки ствола скважины;

У3 = Л3+{г->|г2-112-122-,32) У *_, '1+12 + 13

^2-,12-122-'З2

у3 = ,

|г2-112-,22-132]

где: сЗ 1, d2 - радиальный зазор между стенкой скважины и нижним и верхним опорными элементами соответственно;

сЬ - радиальный зазор между стенкой скважины и корпусом забойного двигателя или бурильной трубой; г - радиус кривизны ствола скважины;

1з - расстояние от верхнего опорного элемента до точки касания забойным двигателем (бурильной трубой) стенки ствола скважины;

Ь, Ь - длина первой и второй секции отклонителя соответственно;

8 - угол изгиба искривленного переводника; а - отношение жесткости на изгиб направляющей секции участка к жесткости промежуточной секции;

Ь - отношение жесткости на изгиб направляющей секции к жесткости верхней секции;

г\, 7.1 - величина смещения осей секций отклонителя относительно друг друга в поперечном направлении на первом и втором опорных элементах соответственно;

I - смещение центра долота от оси скважины в поперечном-направлении.

Система уравнений решается численным методом. При этом определяются величина и направление опорных реакций и угол поворота сечения на опорно-центрирующих элементах и на долоте.

Таким образом, разработана математическая модель откло-нителя в искривленном стволе скважины, в которой каждая секция может иметь различную жесткость, диаметр и вес единицы длины, вал забойного двигателя с долотом имеет возможность смещаться в радиальном направлении, а каждый опорный элемент может быть выполнен в виде искривленного переводника, центратора или децентратора.

Разработанная математическая модель позволяет производить расчеты существующих отклонителей для наклонного и горизонтального бурения, а также КНБК с одним или двумя центраторами.

3. Третье защищаемое положение.

Для искривления ствола скважины с постоянной интенсивностью увеличения зенитного угла КНБК, должна иметь не менее двух центраторов, а ее геометрические размеры должны быть оптимальными для всего диапазона зенитных углов в интервале искривления.

В целях повышения надежности работы искривляющей КНБК для оптимизации ее размеров целесообразно использовать критерий, в соответствии с которым отклоняющая сила и угол между осями долота и скважины равны нулю.

Перерезывающая сила на долоте увеличивает интенсивность изнашивания опор его шарошек, поэтому в целях повышения ресурса работы долота необходимо, чтобы не только отклоняющая, но и перерезывающая сила равнялись нулю.

При равенстве нулю не только отклоняющей силы, но и угла перекоса долота разрушение горной породы происходит только в направлении оси долота без фрезерования стенки скважины боковой поверхностью. При этом за счет снижения влияния на работу КНБК физико-механических свойств горных пород, состояния периферийной части вооружения долота и режима бурения повышается устойчивость КНБК на проектной траектории.

Таким образом, критерий оптимизации, основанный на равенстве нулю отклоняющей силы на долоте и угла его перекоса, является наилучшим при расчете КНБК для различных технологических условий и задач.

В известных методах расчета оптимальные геометрические параметры искривляющих КНБК определялись только для одного

ы э /

4

I

ЗЛ. 6,7 4,2 9,7 4,2 12,7

/ - Ы-25-, г- Ы- /5'. з- <х-5'. I- 2> - / я-Л-2/4.5 /■ ж- В-2/3,5.

Рис. 1 Зависимость диаметра верхнего центратора от расстояния Ь| между верхним и нижним центраторами.

значения зенитного угла, так как было установлено, что оптимальные размеры КНБК, например, с одним центратором существуют только для одного значения зенитного угла. Действительно, при увеличении зенитного угла изменяется система действующих на бурильную колонну сил и, соответственно, геометрия ее упругой оси, что приведет к нарушению заданных условий оптимизации на долоте. Однако, это справедливо только для КНБК с одним центратором, так как ее геометрические параметры непосредственно связаны с линейными и жесткостными параметрами нижней части бурильной колонны.

При проведении аналитических исследований КНБК впервые установлено что, оптимальные размеры, не зависящие от зенит-

ного угла, существуют, но только для КНБК с двумя и более центраторами.

На рис. 1. приведены кривые, характеризующие зависимость диаметра верхнего центратора (0|) от расстояния между нижним и верхним центраторами (Ь|), для различных значений зенитного угла и при различных вариантах выполнения направляющей секции (Э, Ь) КНБК, включающей долото диаметром 215.9 мм и УБТ диаметром 178 мм. Рассмотрим группы кривых отражающие зависимость И/ — Ь/ .. Каждая группа кривых рассчитана для следующих вариантов выполнения направляющей секции КНБК:

1 вариант - О = 215.5 мм, Ь = 1.5 м;

2 вариант - О = 214.5 мм, Ь = 2.5 м;

3 вариант - Б = 213.5 мм, Ь = 3.5 м;

Кривые пересекаются в точках I, II, III, которые соответствуют указанным вариантам выполнения направляющей секции.

Наличие таких точек для каждой группы кривых свидетельствует о существовании КНБК, параметры верхней секции которых не зависят от величины зенитного угла.

Например, при увеличении зенитного угла в диапазоне от 5 до 25 град, оптимальные параметры верхней секции КНБК, соответствующие точке I, сохраняют свои значения: 01=207 мм и Ь|=6 м. Таким образом, полученные параметры верхней секции КНБК будут оптимальными при любом значении зенитного угла в диапазоне от 5 до 25 град.. Если такую КНБК поместить в искривленный по дуге окружности с радиусом 5730 м ствол скважины с начальным зенитным углом, например, 5 град., то при дальнейшем бурении кривизна ствола не изменится, так как увеличение изгибающего момента от поперечной составляющей веса направляющей секции компенсируется за счет увеличения изгибающего момента со стороны верхней секции.

Таким образом, впервые установлено, что для искривления ствола скважины с постоянной кривизной КНБК должна включать не менее двух центраторов, а ее геометрические размеры должны быть оптимальными для всего диапазона зенитных углов в интервале искривления.

Применение искривляющих КНБК с оптимальными размерами даст возможность:

- повысить точность и качество проводки скважины;

- снизить стоимость строительства скважины;

- осуществлять бурение горизонтальной скважины с помощью КНБК в режиме неориентированного бурения.

4. Четвертое защищаемое положение.

Для искривления ствола скважины с постоянной интенсивностью увеличения зенитного угла направляющая секция отклони-теля должна быть жесткой, а верхняя снабжена опорным элементом, геометрические параметры которого и расположение должны обеспечивать выполнение условий оптимизации на долоте независимо от величины зенитного угла.

В качестве критерия оптимизации размеров отклонителя используется условие, в соответствии с которым отклоняющая сила на долоте равна нулю. В известных методах расчета параметры отклонителя для конкретного радиуса кривизны оптимизируются в соответствии с указанным критерием только для одного значения зенитного угла или при расчете зенитный угол не учитывают вообще, предполагая при этом, что при увеличении зенитного угла отклоняющая сила на долоте будет равна или близка к нулю.

У используемых при бурении скважин на нефть и газ отклони-телей направляющая секция жесткая, а верхняя включает рабочие секции забойного двигателя, УБТ и телеметрическую систему, поэтому ее длина значительно больше длины жесткой секции. При бурении таким отклонителем за счет увеличения поперечной составляющей веса существенно изменяется геометрия верхней секции, что приводит к увеличению изгибающего момента, действующего на направляющую секцию отклонителя со стороны верхней. При этом на долоте будет отклоняющая сила, направленная в сторону увеличения зенитного угла, что приводит к уменьшению радиуса кривизны ствола скважины.

На рис. 2 представлена зависимость отношения начального радиуса кривизны к текущему от зенитного угла для отклонителя диаметром 195 мм, включающего направляющую секцию длиной 2.5 м, искривленный переводник с углом перекоса 1 град.. Кривые 1, 2 и 3 получены при длине верхней секции 5, 8 и 24 м соответственно.

отношение напольного раЭиуса к текуилеыу

3

10 20 30 40 50

зенитные угол,граб

Рис. 2.Зависимость криЬиэны скЬажины от зенитного угла. Ди®4втр отклонителя 195 ми, диаметр долота 215.У мм, длина напрабляютеа секции 2.5 м, угол изгиба 1 град. Длина Ьерхнео секции".! —5 м;2-8 м',3-24 м.

10

Видно, что радиус кривизны ствола скважины практически не зависит от зенитного угла только для отклонителя с жесткими секциями.

На рис. 3 приведены зависимости радиуса кривизны скважины от расстояния между искривленным переводником и дополнительным опорным элементом, выполненным в виде центратора, для различных зенитных углов. Из рис. 3 следует, что только при установке центратора диаметром 212 мм на расстоянии 8 м от искривленного переводника радиус кривизны ствола скважины не зависит от зенитного угла. Такая же закономерность получена и для отклонителя с дополнительным искривленным переводником.

Таким образом установлено, что для получения постоянной интенсивности искривления скважины при бурении отклонителя-ми с упругими и гибкими секциями необходимо на верхней секции установить опорный элемент в виде центратора или дополнительного искривленного переводника. При этом расположение и геометрия опорного элемента выбираются такими, чтобы заданные условия оптимизации на долоте не зависели от величины зенитного угла.

, Элина Ьерхнеа секции отклонителя,м

Рис.З.Забисимосгт радиуса ск&ажины от Элины Беркнеа секции отклонителя. Дисметр отклонителя 172 мм, дидаегпр долота 215,9 мм, диаметр центратора 212 мм, длина направляющее секции 3,5 м. угол изгиба искривленного переводника 1 град, Зенитные угол,град:1 - 10; 2 - 20; 3 - 40; 4 - 50,

Отклонители с оптимальными размерами позволят повысить точность проводки искривленных участков наклонной и горизонтальной скважины.

5. Пятое защищаемое положение.

Существуют устойчивые, пассивные и неустойчивые на проектной траектории стабилизирующие КНБК.

При отклонении ствола скважины от проектного направления изменяются ее кривизна и зенитный угол. В новых условиях стабилизирующая КНБК не будет оптимальной, так как отклоняющая сила на долоте и угол между осями долота и скважины уже не будут равны нулю. Произойдет ли при этом дальнейшее искривление ствола скважины или в процессе бурения восстановятся ее проектные параметры зависит преимущественно от направления и величины отклоняющей силы на долоте.

60 +о 20 0

-20 -40

Ю 15 20 25 30

зенитныо угол,граб

Рис. 4. Зсбисимость отклоняющее силы от зенитного угла КНБК с ббумя центраторами,Диаметр турбобура 172 мм." оиаметр долота 215.9 мм,длима направляющее секции 3.4 и длина Серхнео сектии:1-5 м;2-9 м;3-11 м. '

Рассмотрим стабилизирующую КНБК, расположенную в прямолинейном стволе скважины с зенитным углом, величина которого не равна расчетному углу, для стабилизации которого она предназначена.

В целях определения величины и направления отклоняющей силы на долоте при изменении текущего зенитного угла скважины от расчетного угла стабилизации, а также влияния отклоняющей силы на устойчивость КНБК с различными геометрическими параметрами, рассмотрим зависимости отклоняющей силы на долоте от зенитного угла, приведенные на рис. 4, которые получены для трех вариантов КНБК с двумя центраторами.

Анализируемые КНБК предназначены для стабилизации зенитного угла 15 град.. Диаметр (0|) верхнего центратора и длина (Ь|) верхней секции каждого варианта КНБК указаны в таблице 1.

таблица 1

Номер и,

варианта м М

1 203 5

2 202 9

3 213 11

отклоняются сило, кГ

, 4

1 -

Размеры направляющей секции для всех указанных вариантов КНБК одинаковы и равны: О = 215.2 мм, Ь = 3.4 м.

На рис. 4 положительная отклоняющая сила направлена в сторону увеличения зенитного угла, а отрицательная - в сторону уменьшения.

КНБК с длиной верхней секции 11 м при уменьшении или увеличении зенитного угла по отношению к расчетному углу стабилизации будет производить дальнейшее искривление ствола скважины. Причем, чем больше разница между текущим значением зенитного угла скважины и расчетным углом стабилизации, тем больше величина отклоняющей силы на долоте, которая направлена в сторону искривления ствола скважины от направления стабилизации.

В таблице 2. приведен ряд значений зенитного угла и соответствующие им проектные интенсивности искривления скважины для КНБК с длиной верхней секции 11 м.

таблица 2

Зенитный угол, град. 20 30 40 50 60 70 80

Интенсивность искривл. град/100м 0.74 1.78 2.77 3.65 4.41 5.00 5.41

Как следует из таблицы 2, если начальный зенитный угол ствола скважины больше расчетного угла стабилизации, то при бурении неустойчивой КНБК скважина будет искривляться в направлении увеличения зенитного угла, причем интенсивность искривления будет увеличиваться с увеличением зенитного угла, а не стремиться к так называемому предельному углу стабилизации как считалось раньше.

Для КНБК с длиной верхней секции 5 м при зенитных углах, превышающих угол стабилизации, отклоняющая сила на долоте направлена вниз, а при меньших зенитных углах - вверх. Поэтому, например, при увеличении зенитного угла относительно угла стабилизации долото будет за счет отклоняющей силы фрезеровать стенку ствола скважины в направлении уменьшения зенитного угла скважины. Фрезерование завершится при величине зенитного угла скважины, равной или близкой к расчетному углу стабилизации и, наоборот, при зенитных углах меньше 15 град.

отклоняющая сила направлена вверх (рис.4.) и скважина в процессе бурения будет искривляться в направлении увеличения зенитного угла. Таким образом, эта КНБК будет устойчивой на проектной траектории.

При длине верхней секции равной 9 м отклоняющая сила на долоте практически не изменяется при увеличении зенитного угла. Такая КНБК является пассивной, т. е. нечувствительной к зенитному углу и может быть использована для стабилизации любого зенитного угла в анализируемом диапазоне. У пассивных КНБК при увеличении зенитного угла момент от поперечной составляющей веса направляющей секции компенсируется за счет увеличения изгибающего момента со стороны ее верхней секции.

Таким образом, впервые установлено, что по технологическим возможностям существуют устойчивые, пассивные и неустойчивые на проектной траектории стабилизирующие КНБК.

Устойчивые КНБК целесообразно использовать при проводке наклонно-прямолинейных участков скважины в сложных горногеологических условиях. В целях унификации КНБК на базе забойного двигателя со стационарными центраторами могут быть использованы параметры пассивных стабилизирующих КНБК.

6. Шестое защищаемое положение.

Надежность работы КНБК и отклонителя на проектной траектории при бурении в неустойчивых горных породах и при наличии радиального люфта вала забойного двигателя повышается с увеличением длины направляющей секции, а надежность работы КНБК при бурении в абразивных горных породах - при равномерном изнашивании центраторов.

Расчет и оптимизация размеров КНБК производится в рамках упрощенной схемы. Поэтому при проектировании КНБК на этапе перехода от расчетной схемы к реальной конструкции необходимо оценить влияние на ее работу технологических и геологических факторов, не предусмотренных расчетной схемой.

В процессе бурения условия, заданные расчетной схемой, нарушаются из-за изнашивания центраторов или внедрения лопастей центратора в стенку скважины, увеличения радиального

люфта вала забойного двигателя и диаметра ствола скважины при бурении в неустойчивых горных породах. Под действием указанных факторов изменится геометрия упругой оси КНБК, схема его взаимодействия со стволом скважины, и, следовательно, нарушатся заданные условия оптимизации размеров на долоте.

Проанализируем устойчивость оптимальных КНБК на проектной траектории в условиях влияния дестабилизирующих факторов на примере искривляющей КНБК с двумя центраторами на базе турбобура диаметром 172 мм с долотом диаметром 215.9 мм.

При увеличении диаметра скважины свыше 218 мм КНБК с длиной направляющей секции 1.5 м опирается только на верхний центратор, а нижний центратор не касается стенки скважины вообще. КНБК в этом случае работает как маятниковая на уменьшение зенитного угла.

При увеличении длины направляющей секции устойчивость работы КНБК повышается, так как при этом нижний центратор является опорой при фактическом диаметре скважины уже 230 мм.

Рассмотрим теперь влияние изнашивания центраторов на работу КНБК.

С уменьшением диаметра нижнего центратора ( диаметр верхнего центратора при этом не изменяется) отклоняющая сила направлена в сторону уменьшения зенитного угла, поэтому интенсивность увеличения зенитного угла будет уменьшаться независимо от длины направляющей секции.

Однако, при увеличении длины обеих секций устойчивость КНБК на проектной траектории при изнашивании нижнего центратора существенно повышается.

Если уменьшается диаметр только верхнего центратора, то, как и при изнашивании нижнего центратора лучшей устойчивостью обладает КНБК с максимальными длинами секции. Однако, отклоняющая сила в этом случае направлена в сторону не уменьшения, а увеличения зенитного угла, что приведет в процессе бурения к увеличению кривизны скважины.

В случае равномерного изнашивания обеих центраторов

отклоняющая сила на долоте увеличивается, но в значительно меньшей степени , чем при уменьшении диаметра каждого из центраторов в отдельности. При этом отклоняющая сила направлена всторону уменьшения зенитного угла ствола скважины скважины.

Радиальный люфт вала существенно изменяет работу КНБК, так как при этом, во-первых, части КНБК не связаны жестко между собой, а, во-вторых, жесткость на изгиб нижней части КНБК равна жесткости вала забойного двигатель, которая гораздо меньше жесткости на изгиб самого забойного двигателя.

В качестве примера рассмотрим КНБК с одним центратором на базе турбобура диаметром 172 мм с долотом диаметром 215.9 мм, которая предназначена для увеличения зенитного угла с интенсивностью 3 град, на 100 м проходки. Начальный зенитный угол равен 45 град., а осевая нагрузка на долото - 15 тонн. Размеры исследуемой КНБК: D = 210 мм, L = 3 м. Установлено, что при величине радиального люфта 2 мм интенсивность увеличения зенитного угла снижается почти в два раза.

С увеличением длины направляющей секции влияние радиального люфта вала забойного двигателя на устойчивость КНБК на проектной траектории уменьшается.

В таблицах 3 и 4 приведены значения радиуса кривизны скважины, рассчитанные для жесткого, упругого и гибкого отклони-телей в зависимости от диаметра ствола скважины и величины радиального люфта вала шпинделя забойного двигателя соответственно.

Диаметр забойного двигателя равен 172 мм, а диаметр долота -215.9 мм. Длина направляющей секции равна - 3.5 м. Над откло-нителем расположены бурильные трубы диаметром 147 мм из легкого сплава.

таблица 3.

Тип отклонителя Диаметр скважины, мм

215.9 218.0 220.0 224.0 230.0

жесткий 484 498 513 546 603

упругий 484 495 503 524 558

гибкий 484 500 512 540 585

таблица 4.

Тип отклонителя Радиальный люфт вала шпинделя, мм

0 1 2 3 5

жесткий 484 509 536 566 640

упругий 484 502 522 544 593

гибкий 484 510 535 562 525

Как следует из таблиц 3 и 4 наибольшее влияние на устойчивость отклонителя на проектной траектории оказывает радиальный люфт вала забойного двигателя, причем самой высокой чувствительностью к анализируемым факторам обладает откло-нитель жесткого типа.

В результате проведенных аналитических исследований установлено, что при увеличении длины секций отклонителя существенно повышается его устойчивость на проектной траектории при увеличении диаметра скважины и радиального люфта вала забойного двигателя.

Например, при увеличении длины направляющей секции с 1.5 м до 3.5 м влияние анализируемых дестабилизирующих факторов снижается для рассматриваемого примера почти в 10 раз. При увеличении радиального люфта от нуля до 3 мм, интенсивность увеличения зенитного угла для отклонителя с длиной направляющей секции 1.5 м уменьшается в два раза. (таблица 5.)

таблица 5.

Длина направляющей секции, м Радиальный люфт вала шпинделя, мм

0 1 2 3 5

3.5 484 502 522 544 567

2.5 484 518 562 612 690

1.5 484 580 700 890 1750

Таким образом, на основании анализа влияния на работу отклонителей и КНБК радиального люфта вала забойного двигателя, изнашивания опорно-центрирующих элементов и увели-

чения диаметра скважины установлена взаимосвязь геометрических параметров с устойчивостью отклонителей и КНБК на проектной траектории.

При бурении в рыхлых горных породах целесообразно использовать КНБК или отклонитель с увеличенной длиной направляющей секции, а в конструкцию шпинделя забойного двигателя необходимо включить устройство, компенсирующее или уменьшающее радиальный люф г вала. При разбуривании абразивных горных пород необходимо обеспечивать в КНБК равномерное изнашивание центраторов.

Результаты практического применения разработанного метода.

На основании разработанного метода проектирования отклонителей и КНБК создано специальное программное обеспечение для ЭВМ, включающее программы "Оптимальная КНБК", "Отклонитель" и "КНБК".

Эти программы входят в пакет программ "Наклонное бурение" и используются проектными и буровыми организациями при проектировании отклонителей и КНБК.

Стабилизирующие и искривляющие КНБК с оптимальными размерами были испытаны при бурении турбинным способом наклонно направленных скважин в Западной Сибири.

Для центрирования турбобура диаметром 172 мм применялся передвижной центратор, который может быть закреплен в любом месте на корпусе турбобура. Это позволило реализовать оптимальные расчетные размеры КНБК и оперативно их изменять. При использовании межсекционных центраторов приходилось в некоторых случаях устанавливать на валу шпинделя дополнительный переводник, а второй центратор размещать только в разъемах секций турбобура, что существенно ограничивало возможности реализации оптимальных размеров КНБК.

Испытание КНБК с передвижными и межсекционными центраторами проводились при бурении наклонно направленных скважин на Быстринском (скважина 5701), Крайнем (скважины 5026, 3138), Холмогорском (скважины 1318, 2016) нефтяных месторождениях Западной Сибири.

В процессе испытаний турбинных КНБК с оптимальными размерами установлено, что даже при наличии второго центратора не всегда обеспечивалась стабилизация азимута ствола скважины.

Причем наиболее интенсивное изменение азимута происходило при бурении КНБК на базе турбобура ТПС-172, как правило в сторону его увеличения. Это связано с низкой жесткостью на изгиб турбобура ТПС-172 по сравнению с турбобурами типа ЗТСШ-195. В процессе испытаний было установлено, что существенное влияние на работу КНБК оказывает радиальный люфт вала шпинделя турбобура. Поэтому в ряде случаев одна и та же КНБК в аналогичных условиях увеличивала зенитный угол ствола скважины с различной интенсивностью.

Искривляющие КНБК использовались при бурении наклонных и горизонтальных скважин роторным способом и забойными двигателями на других нефтяных и газовых месторождениях России, а также за рубежом (Тенгиз - скважины 100 и 101), Словакия - скважина Krasna 8, Вьетнам - скважина 815 Белый Тигр).

Разработанная метод применялся для расчета геометрических параметров забойных двигателей-отклонителей типа ДГ диаметром 95 и 108 мм и основных элементов их технологической оснастки, а также при разработке специального отклонителя ДН-172, предназначенного для реализации турбинно роторного способа бурения.

Основные выводы

1. Разработана математическая модель отклонителя, которая учитывает особенности конструкции забойного двигателя с различными опорными элементами на его корпусе и позволяет определять величину и направление опорных реакций, а также угол поворота на опорно центрирующих элементах и на долоте.

2. Определены области существования жестких, упругих и гибких секций отклонителей и КНБК для наклонного и горизонтального бурения.

3. Разработана методика расчета оптимальных размеров отклонителей и КНБК, предназначенных для искривления ствола скважины с постоянной интенсивностью увеличения зенитного угла. Показано, что такие отклонители должны включать дополнительный опорный элемент, а КНБК - не менее двух центраторов. При этом оптимальные геометрические размеры отклонителя и КНБК не должны зависеть от зенитного угла.

4. Все стабилизирующие КНБК с оптимальными размерами можно разделить на устойчивые, пассивные и неустойчивые на проектной траектории, причем при бурении в горных породах со сложной структурой целесообразно использовать устойчивые КНБК.

6. Для повышения устойчивости отклонителя на проектной траектории в условиях увеличения диаметра скважины и радиального люфта вала забойного двигателя следует увеличить длину его направляющей секции.

7. Устойчивость КНБК на проектной траектории при разбу-ривании абразивных и рыхлых горных пород, а также при наличии радиального люфта вала забойного двигателя повышается при увеличении длины направляющей секции, а также при равномерном изнашивании верхнего и нижнего центраторов.

8. Разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ, с помощью которых можно рассчитать оптимальные размеры отклонителя и КНБК, включающих секции забойного двигателя и УБТ и опорно-центрирующие элементы.

9. КНБК и отклонители с оптимальными размерами применялись при бурении наклонных и горизонтальных скважины на нефтяных и газовых месторождениях в России и за рубежом, где была подтверждена их эффективность при решении различных технологических задач.

10. Результаты исследований были использованы при создании новых забойных двигателей для наклонного и горизонтального бурения типа ДГ, забойной компоновки с управляемым винтовым двигателем КЗУ-172, турбобура для бурения боковых стволов диаметром 105 мм.

И. За счет повышения точности проводки и исключения работ по корректированию траектории стоимость скважины снижается на 3...5%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах и защищены авторскими свидетельствами и патентами России.

1. А.С.Повалихин, "Устойчивость стабилизирующих КНБК с оптимальными размерами на проектной траектории", Научно-технический журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море", 4-5, 1995.

2. Повалихин A.C., Калинин А.Г., Коростелева Г.В." Повышение надежности работы многосекционных турбинных отклони-

телей,"Геология и разведка",Известия ВУЗ, МГРИ, 9, 1991,

3. Калинин А.Г., Федоров А.Ф., Солодкий K.M., Повалихин

A.C., Коростелева Г.В., "Выбор критерия и метод расчета компоновок низа бурильной колонны для колонкового бурения", Записки Санкт-Петербургского Государственного горного института, "Совершенствование технологии и разработка нетрадиционных методов бурения скважин", Санкт-Петербург, 1993 г.

4. Повалихин A.C., Оганов A.C. "Забойный двигатель-отклонитель с двойным изгибом корпуса для управляемого бурения", экспресс-информация ИРЦ ГАЗПРОМ, "Газовая промышленность", вып.6-7, 1993

5. Солодкий K.M., Федоров А.Ф., Повалихин A.C., Шагалов

B.Д., Калинин А.Г. " Принцип выбора стабилизирующих компоновок с заданными оптимальными параметрами", Нефтяное хозяйство, 9,1984

6. Солодкий K.M., Федоров А.Ф., Повалихин A.C., Оганов A.C., Семак Г.Г. "Пути совершенствования профиля добывающих скважин", брошюра, Обзорная информация ВНИИОЭНГ, сер."Строительство скважин", вып. 10, М., 1989

7. Повалихин A.C., Солодкий K.M., Федоров А.Ф., Коростелева Г.К., КалининА.Г. " Оптимизация параметров КНБК в целях проводки ствола скважины с постоянной кривизной", ВНИИОЭНГ, Экспресс-информация, серия "Техника и технология бурения скважин", вып. 10, 1988

8. А.Г.Калинин, Б.А.Никитин, K.M.Солодкий, А.С.Повалихин "Профили направленных скважин и компоновки низа бурильных колонн", книга, Москва, "Недра", 1995 г.

9. "Устройство для направленного бурения скважин", а.с. 1384703, кл. Е 21 В 7/08,6, опубл.Б.И.12, 1988, Повалихин A.C., Солодкий K.M., Федоров А.Ф., Капустин В.Д., Коростелева Г.В.

10. "Устройство для направленного бурения", а.с. 1606672, кл. Е 21 В 7/08, 1988, Повалихин A.C., Федоров А.Ф., Оганов A.C. 1988 Солодкий K.M.

11. "Устройство для проводки наклонного ствола скважин забойным двигателем", а.с. 1656114, кл. Е 21 В 7/08, опубл. 1991, Повалихин A.C., Солодкий K.M. Оганов A.C., Федоров А.Ф., Коростелева Г.В.

12. "Забойная компоновка для набора кривизны и проводки горизонтальных скважин", заявка 95102305/03, 20.02.95, Балденко Д.Ф., Чернова Т.Н., Власов A.B., Хабецкая В.А., Повалихин A.C.

Соискатель А.С.Повалихин