УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КОМПОНОВКИ ДЛЯ БУРЕНИЯ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН

В настоящее время при бурении наклонно направленных скважин в основном применяется технология бурения с помощью винтового забойного двигателя-отклонителя (ВЗДО), управление которым осуществляется с помощью дорогостоящих телеметрических систем иностранных фирм («Halliburton», «Schlumberger» и др.).

В связи с резким повышением курса доллара актуальным вопросом стало возвращение в ряде случаев к традиционной технологии бурения с применением неориентируемых компоновок. Это не относится к скважинам со сложным профилем или с горизонтальным окончанием, а только к наклонно направленным скважинам с зенитным углом не более 40о.

По такой технологии в 70…90-е годы в Западной Сибири пробурены многие миллионы метров скважин. В то же время, многолетняя практика применения указанных компоновок показала, что они не обеспечивают надежной стабилизации зенитного угла и азимута [1].

На Рисунке 1 показана типовая компоновка, применяемая в Западной Сибири; она включает долото 1 с наддолотным калибратором 2, устанавливаемые на валу 3 забойного двигателя, и центратор 4 в виде стабилизирующего кольца СТК на ниппеле забойного двигателя 5. Наиболее часто используются СТК диаметром Dc = 212…214 мм, минимальный размер – 210 мм. При диаметре долота Dd = 215,9 мм диаметр калибратора Dk согласно инструкции [2] составляет 215,9 мм.

На первом этапе исследования для изучения роли калибратора его необходимо рассматривать как опорно- центрирующий элемент (ОЦЭ). Поэтому расчетной схемой является схема с двумя ОЦЭ. В результате решения могут быть определены: реакции на долоте (Rd), калибраторе (Rk) и центраторе (Rc); длина участка КНБК от центратора до точки контакта ЗД со стенкой скважины; углы поворота оси компоновки на долоте, калибраторе, и центраторе, изгибающие моменты на всех ОЦЭ.

Входные параметры, подлежащие варьированию: диаметры калибратора (Dk) и центратора (Dc), расстояния между долотом и калибратором (L1), калибратором и центратором (L2); зенитный угол α.

Рассчитанные величины реакций на долоте, калибраторе, и центраторе в зависимости от диаметра калибратора при фиксированных значениях диаметра центратора показаны на Рисунке 2. Пяти значениям диаметра центратора соответствуют 5 групп линий Rd, Rk, Rc. Линии Rd – сплошные; Rk, Rc – пунктирные, соответственно, с длинным и коротким штрихами.

Диаметры центраторов показаны на линии R = 0 около соответствующей группы линий. Например, группа линий Rd, Rk, Rc при Dc = 214 мм пересекает ось в районе Dk = 215 мм; если Dc = 213 мм – пересечение оси R = 0 происходит при Dk = 214,5 мм и т.д.

Положительные значения реакций означают то, что происходит взаимодействие с нижней стенкой скважины. Имеется некоторый диапазон значений от Dk1 до Dk2, в котором обе реакции (Rk и Rc) положительны. При значении Dk внутри этого диапазона калибратор и центратор одновременно опираются на нижнюю стенку скважины.

Например, при диаметре центратора, равном 214 мм происходит следующее: если Dk ≤ 215,1 мм, калибратор не работает; при Dk = 215,1 – 215,2 мм работают одновременно калибратор и центратор, причём они одинаково нагружены при Dk = 215,15 (абсцисса на пересечении линий Rk, Rc); если же Dk ≥ 215,2 мм, центратор вообще не взаимодействует со стенкой скважины. С уменьшением Dk происходит перераспределение нагрузки между центратором и калибратором, на центраторе она возрастает, а на калибраторе уменьшается.

Необходимо не только устранить совместную работу калибратора и центратора, а чтобы на калибраторе вообще не было реакции, поэтому его диаметр не должен превышать значения Dk1, при котором линия Rk пересекает ось Dk. Это значение диаметра калибратора можно назвать критическим – Dkкр. Для Dc = 214 мм оно составляет 215,1 мм (см. Рисунок 2), для Dc = 213 мм – примерно 214,5 мм и т.д. С уменьшением диаметра центратора зона возможной совместной работы калибратора и центратора уменьшается, и при Dk <212 мм она практически исчезает.

Таким образом, каждому значению диаметра центратора соответствует некоторое критическое значение диаметра калибратора (Dkкр), превышение которого приводит к тому, что калибратор выключает из работы центратор, становясь опорно-центрирующим элементом (ОЦЭ).

При уменьшении диаметра калибратора центратор вступает в работу, и теперь калибратор не оказывает никакого силового воздействия и только калибрует стенки скважины. Таким образом, СТК может работать в качестве центратора только при соблюдении условия

Dk < Dkкр                                                                                             (1)

Этому условию удовлетворяют соотношения между диаметрами центратора и калибратора, представленные в Табл.1.

Таблица 1

Из данных таблицы следует, что в типовых компоновках при полноразмерном калибраторе условие (1) нарушается, и СТК никакой роли не выполняет, а калибратор выполняет функцию центратора; при этом вследствие его близкого расположения к долоту работа компоновки крайне нестабильна, что приводит к повышенному износу калибраторов, опор долот и забойных двигателей, снижению показателей бурения.

Теоретические расчеты дают в этом случае неустойчивые решения с нереально высокими значениями реакций, что также является признаком нестабильности работы данной компоновки.

Исключить калибратор из компоновки нельзя, так как при бурении шарошечными долотами, особенно при высокой механической скорости бурения (характерно для Западной Сибири), поперечное сечение скважины отличается от формы окружности, и требуется калибрование стенок скважины.

При выполнении условия (1) расчетная схема соответствует одноцентраторной компоновке. Результаты расчетов компоновки с одним центратором при зенитном угле 30° представлены на Рисунке 3.

Перемещение центратора ближе к долоту приводит к неустойчивому решению с нереальными величинами реакций Rd, Rc.

Таким решениям соответствует нестабильность работы компоновки. В зоне реального расположения центратора (1,2 – 1,3 м) зависимость Rd, Rc от его местоположения уменьшается, но влияние его диаметра существенно.

При дальнейшем удалении центратора влияние диаметра уменьшается, на долоте имеется стабильная отклоняющая сила, способствующая малоинтенсивному росту зенитного угла за счет фрезерования верхней стенки скважины.

С приближением центратора к долоту нагрузки перераспределяются, линии Rd, Rc сближаются и пересекаются при значении реакции приблизительно 2 кН независимо от диаметра центратора.

Направлены они могут быть только со стороны нижней стенки скважины, и компоновка работает на уменьшение зенитного угла.  При дальнейшем  приближении центратора линии Rc резко уходят вниз (а Rd, соответственно, вверх), и центратор перестает взаимодействовать со стенкой скважины.

Такой метод определения критического диаметра калибратора учитывает форму изогнутой оси компоновки. Если пренебречь её изгибом, условие (1) приобретает простой геометрический смысл (Рисунок 4): габариты калибратора не должны выходить за линию ВС, соединяющую точку В калибрующего венца шарошки долота с ближайшей точкой опорной поверхности центратора.

У долота PDC точка В находится в верхней части рабочей поверхности лопастей. Из схемы следует формула для определения Dkкр

Если принять L1 = L2 при Dc = 212 мм, по формуле (2) получаем размер калибратора 214 мм. Расчет двухцентраторной КНБК, выполненный при L1 = L2 = 0,6 м, также даёт Dkкр = 214 мм.

Применение предлагаемого способа определения диаметра калибратора позволит: сократить затраты, связанные с отклонением реальных профилей скважин от проектных; улучшить технико-экономические показатели бурения за счет улучшения условий работы долота, повысить стойкость долот и забойных двигателей, использовать изношенные калибраторы и сократить потребность в них за счет уменьшения интенсивности износа и увеличения допустимой степени износа.

Список литературы

1.     Гречин Е.Г., Овчинников В.П., Будько А.В., Овчинников П.В., Будько Д.Г. Проектирование компоновок низа бурильной колонны. – М: ООО «Газпром экспо», 2012. – 222 с.

2.     Инструкция по бурению наклонных скважин с кустовых площадок на месторождениях Западной Сибири / М.Н. Сафиуллин, П.В. Емельянов, С.Н. Бастриков. – Тюмень: СибНИИНП, 1986. – 138 с.