В Западной Сибири нефтяные и газовые месторождения разрабатываются кустовым способом, т.е. с одной кустовой площадки ведется бурение скважин в разных направлениях. Число таких скважин может составлять десятки. Конфигурация оси скважин (профиль) разнообразна: скважины могут быть  наклонными, субгоризонтальными (пологими) и горизонтальными. В свою очередь каждая из этих скважин имеет несколько разновидностей по числу участков профиля и их конфигурации. Несмотря на большое многообразие типов и видов профилей скважин, есть условие их объединяющее, заключающееся в следующем.

Современная технология бурения, распространенная во всем мире, заключается в том, что скважина, за исключением незначительных участков, бурится с помощью бурового инструмента, включающего забойный двигатель, в конструкции которого предусмотрено специальное устройство, обеспечивающее искривление его нижней части. За счет этого в зависимости от ориентации плоскости искривления забойного двигателя (ЗД) скважину можно проводить по любой пространственной траектории, изменяя одновременно зенитный угол (угол между вертикалью и осью скважины) и азимут (угол, показывающий направление скважины).

Фактическая траектория скважины должна быть как можно ближе к проектному профилю скважины. Этим обусловлена особенность технологии бурения, состоящая в том, что приходится комбинировать два способа бурения. В одном из них бурильная колонна вращается. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для выноса выбуренной породы (шлама) на поверхность потоком закачиваемой в скважину промывочной жидкости. Но это неуправляемый процесс, в результате которого скважина обычно отклоняется от проектного профиля. Поэтому далее следует бурение в управляемом режиме без вращения бурильной колонны (режим скольжения или «слайдирования») с целью возвращения траектории скважины на проектное направление. После этого процесс повторяется.

При бурении в режиме скольжения диаметр скважины можно считать весьма близким к диаметру породоразрушающего инструмента (долота). В следующей фазе бурения происходит вращение искривленной компоновки. При этом при прохождении предыдущего пробуренного участка скважины компоновке приходится вписываться в уменьшенный диаметр скважины. По этой причине в элементах компоновки инструмента могут возникать большие напряжения.

Исследованию напряженно-деформированного состояния компоновки в забойным двигателем- отклонителем уделено мало внимания, несмотря на актуальность проблемы. В работах В. Прохоренко [3], а также в работе [1] получены формулы для расчета диаметра скважины, исходя из геометрических условий. Однако, наиболее важным является расчет напряженно-деформированного состояния компоновки, включающий в себя определение реакций на  всех опорно-центрирующих  элементах компоновки, формы  деформированной оси компоновки, а также напряжений в ее элементах.

Это весьма сложная задача механики в математическом отношении. Объектом расчета является статически неопределимая искривленная балка с разновысотными опорами и неизвестной длиной участка между верхней опорой (центратором) и точкой, начиная с которой вышележащая часть бурильной колонны лежит на нижней стенке скважины. Степень статической неопределимости зависит от числа опор (центраторов).

Схема широко применяющейся в Западной Сибири компоновки без центраторов приведена на Рисунке 1. Компоновка показана в положении, при котором напряжение в искривленном переводнике 2 максимально.

Задача решалась средствами программного комплекса «Ansys», основанного на численном методе конечных элементов.

На  геометрической  модели  (Рисунок  2)  треугольниками  показаны  наложенные  ограничения  на перемещение по координате у. Далее прикладываются нагрузки: поперечная равномерно распределенная (q), зависящая от зенитного угла, и нагрузка в виде перемещения точки 1 (особенность «Ansys»), определяемая выражением

где L1 – длина нижнего плеча компоновки от торца долота до середины искривленного переводника, м; γ – угол перекоса переводника, град; Dd, Do – соответственно, диаметры долота и забойного двигателя, м.


Аналогичным образом в модель вводятся центраторы: достаточно в узлах, соответствующих их расположению, ввести перемещение, равное полуразности диаметров центратора и забойного двигателя.

В работе [2] были получены решения для различных компоновок. Они позволяют сделать выводы, состоящие в следующем.

При большом многообразии типоразмеров забойных двигателей наиболее важной характеристикой является напряжение, возникающее в элементах компоновки, а не реакции на опорно-центрирующих элементах.

Наибольшие напряжения возникают в области искривленного переводника. В некоторых вариантах напряжения достаточно высоки, при этом они возникают в условиях динамических нагрузок, появляющихся в результате вращения искривленной компоновки и планетарного движения ротора забойного двигателя.

Эпюра напряжений (Рисунок 3, а) соответствует форме деформированной оси компоновки (Рисунок 3, б). Расчет проведен для компоновки: долото диаметром 215,9 мм, забойный двигатель ДР1-176 с углом перекоса 0,75о, расстояние между долотом и переводником 2,4 м. Максимальное напряжение в области искривления корпуса (точка 2) составило около 50 МПа. Прогиб в точке М, находящейся на расстоянии 3,9 м от долота (см. Рисунок 1), равен 1,78 мм. На участке 1-2-М-N сжатое волокно находится со стороны нижней стенки корпуса ЗД, в точке N происходит смена знака кривизны, и напряжение отсутствует, и далее на участке М-К сжатое волокно находится в верхней части сечения компоновки.

Выполненное исследование показывает, что наиболее нагруженным узлом компоновки является искривленный переводник забойного двигателя, поэтому необходима разработка мероприятий по уменьшению нагрузок. Одним из вариантов решения проблемы является установка центраторов, которые позволят сделать нагрузку на элементы компоновки более равномерной. Расчеты также позволяют выбрать компоновку с требуемым углом искривления забойного двигателя для конкретных условий бурения.

 

Список литературы

1.      Гречин Е.Г. Напряженно-деформированное состояние компоновки с двигателем-отклонителем и двумя центраторами // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2012. – № 1. – С. 4 – 7.

2.      Гречин Е.Г. Напряженно-деформированное состояние компоновки с винтовым забойным двигателем- отклонителем // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – М.: ВНИИОЭНГ, 2013. –№ 5.

3.      Прохоренко В.В. Отклоняющие КНБК для бурения направленных скважин комбинированным способом // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2007. – № 5. – С. 5 – 11.