Полная версия

Главная arrow Строительство

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Отклонители непрерывного действия (ОНД)

Отклонители непрерывного действия (ОНД) - одни из основных инструментов управления кривизной скважины в современном направленном бурении.

ОНД разделяются на отклонители:

  • • с механическими распорными устройствами скользящего типа;
  • • с гидромеханическими распорными устройствами скользящего

типа;

• без распорных устройств.

Основная функция распорного устройства состоит в фиксации корпуса-статора ОНД в скважине (рис. 4.27) от проворота при передаче крутящего момента Мкр от бурильной колонны к долоту через вал-ротор. Таким образом, распорными устройствами оснащают прежде всего отклонители роторного типа, а без распорных устройств применяют ОНД на базе гидродвигателей.

Таким образом, различие распорных устройств состоит в том, под действием каких усилий происходит их срабатывание: механические распорные устройства срабатывают под действием осевого усилия Рос (рис. 4.27, а), а гидромеханические распорные устройства под действием перепада давления промывочной жидкости на входе и выходе из ОНД (рис. 4.27, б).

Любой ОНД включает следующие основные конструктивные элементы: вал-ротор, соединяемый с бурильной колонной для передачи крутящего момента Мкр и осевого усилия Рос к отклонителю, невращающийся при бурении корпус-статор с распорным механизмом скользящего типа для фиксации корпуса-статора ОНД при вращении ротора, но обеспечивающего продольное перемещение в процессе углубления ствола и набора кривизны ОНД, а также долото.

Кроме названных составных частей в конструкции любого ОНД обязательны подшипники радиальные и радиально-упорные, устанавливаемые между валом-ротором и корпусом-статором, резиновые уплотнения для защиты подшипников от раствора с абразивными частицами, пружины для передачи осевых усилий и возврата частей ОНД в исходное положение (например, распорного механизма), после того как силовое воздействие на конструкцию ОНД прекращено. Как один из необходимых элементов в конструкции ОНД присутствует стопорный замок, обеспечивающий сцепление вала-ротора и корпуса-статора при спуске ОНД (транспортное положение) и его ориентирование в скважине. Стопорный замок раскрывается и освобождает вал-ротор или под действием осевого усилия (ОНД с механическими распорными устройствами), или давления промывочной жидкости (ОНД с гидромеханическими распорными устройствами).

Вал-ротор ОНД с механическим распорным механизмом (рис. 4.27, а), как правило, состоит не менее чем из двух частей, связанных между собой шлицевым соединением, которое обеспечивает продольное перемещение частей вала и его укорачивание под действием осевого усилия, что необходимо для срабатывания распорного механизма. Распорный механизм, срабатывая под действием осевого усилия, выдвигается в поперечном направлении до упора в стенку скважины. Со стенкой скважины ползун распорного механизма соединяется катками или ребрами с острыми твердыми краями для фиксации корпуса ОНД от проворота.

Схемы ОНД роторного типа

Рис. 4.27. Схемы ОНД роторного типа: а - с механическим распорным устройством; б - с гидромеханическим распорным устройством

Вал-ротор ОНД с гидромеханическим распорным устройством (рис. 4.27, б) не имеет шлицевого соединения, поскольку выдвижной ползун выдвигается под давлением промывочной жидкости. Для создания достаточного давления для работы механизма отклонителя в вале-роторе ниже распорного механизма устанавливают дроссель.

Несмотря на многообразие технических решений, использованных при разработке ОНД, все они являются прототипами и аналогами по принципу реализуемого процесса набора кривизны - основной характеристики, определяющей конструктивную схему, свойства, особенности и эффективность отклонителей при их использовании в тех или иных горногеологических и технико-технологических условиях.

В табл. 4.6 приведена классификация ОНД по признаку реализуемого процесса набора кривизны при искривлении [9].

Классификация ОНД по признаку реализуемого процесса набора кривизны при искривлении

Таблица 4.6

Типы ОНД

Примеры реализации ОНД

1. Реализующие асимметричное разрушение забоя вследствие перекоса породоразрушающего инструмента

Отклонители на базе турбобуров (винтовых забойных двигателей - ВЗД) с кривым переводником (верхнее расположение) при условии шарнирного соединения отклонителя с вышерасположенной бурильной колонной. Отклонители на базе турбобуров (винтовых забойных двигателей - ВЗД) с кривым переводником (нижнее расположение) при условии шарнирного соединения забойного двигателя и кривого переводника.

Rotary steerable system (RSS) - роторные управляемые системы (РУС) с изменением направления перекоса долота {point-the-bit)

2. Реализующие фрезерование стенки скважины породоразрушающим инструментом под действием отклоняющего усилия

Rotary steerable system (RSS) - роторные управляемые системы (РУС) с отклонением долота (puch-the-bit).

3. Реализующие совместное фрезерование стенки скважины и асимметричное разрушение забоя:

3.1. Реализующие набор кривизны за счет не совпадающих по направлению процессов фрезерования стенки скважины и асимметричного разрушения забоя

Rotary steerable system (RSS) - роторные управляемые системы (РУС) смешанного типа и с отклонением долота и с изменением его перекоса (Geopilot, DART)

3.2. Реализующие набор кривизны за счет совпадающих по направлению процессов фрезерования стенки скважины и асимметричного разрушения забоя

Отклонители на базе турбобуров или ВЗД с кривым переводником или накладкой на корпусе турбобура, турбинные отклонители типа ТО-172, ТО-195, ТО-240.

Rotary steerable system (RSS) - роторные управляемые системы (РУС) смешанного типа и с отклонением долота и с изменением его перекоса {Power Drive Archer)

Интенсивность набора кривизны ОНД асимметричного разрушения забоя (рис. 4.28) определяется зависимостью где Dc, dK - диаметры скважины и корпуса ОНД в месте контакта со стенкой скважины при перекосе, м; / - расстояние от забоя до точки контакта корпуса ОНД со стенкой скважины при перекосе нижней части отклонителя, м.

Схема набора кривизны ОНД асимметричного разрушения забоя

Рис. 4.28. Схема набора кривизны ОНД асимметричного разрушения забоя: 1 - породоразрушающий инструмент; 2 - корпус ОНД; Рр - распорное усилие, даН; у - угол перекоса породоразрушающего инструмента, град

Из формулы (4.12) и схемы на рис. 4.28 следует, что интенсивность искривления скважины задается конструктивными размерами ОНД и диаметром скважины, а отклоняющая сила на породоразрушающем инструменте отсутствует.

В результате конструкции ОНД, реализующие процесс асимметричного разрушения забоя, менее нагружены и деформированы, а потому достаточно просты по конструкции и надежны в работе, а также отличаются возможностью прогнозировать интенсивность искривления и получать ее при искривлении с высокой точностью.

Процесс искривления ствола скважины вследствие асимметричного разрушения забоя при отсутствии отклоняющей силы на долоте имеет следующие положительные стороны:

  • 1. Улучшение условий работы опор и вооружения долот, повышение их стойкости и снижение темпа износа калибрующего вооружения долота в результате отсутствия действия поперечной отклоняющей силы.
  • 2. Облегчение условий запуска турбобуров, лучшее использование энергетических параметров забойных двигателей за счет максимальной передачи развиваемых ими мощности и вращающего момента для разрушения горных пород на забое.
  • 3. Возможность бурения при повышенных осевых нагрузках на долото, что позволяет повысить скорость бурения.
  • 4. В результате совокупного влияния факторов 2 и 3 имеется возможность искривления скважины с высокой скоростью бурения, так как интенсивность искривления в данном случае не зависит от скорости фрезерования и механической скорости бурения, а значит, и от параметров режима бурения.

Однако процесс искривления только под действием неравномерного разрушения забоя имеет такой недостаток, как ограниченная интенсивность искривления ствола, что увеличивает интервал бурения и объем работ с отклоняющей КНБК.

Радиус искривления ствола за счет неравномерного разрушения забоя Ra без фрезерования стенки скважины при отсутствии отклоняющей силы на долоте определяется по формуле

где LT - длина забойного двигателя с долотом, м; т - коэффициент уширения ствола {т = Dc / Д Д - диаметр скважины, м); Д dT - диаметры соответственно долота и забойного двигателя, м;/- прогиб забойного двигателя, м.

Из формул (4.12) и (4.13) следует, что искривление ствола скважины в результате неравномерного разрушения забоя может произойти с постоянной интенсивностью по дуге окружности радиусом Ra, если параметры, входящие в эти формулы, останутся без изменения.

Интенсивность искривления, реализуемая ОНД фрезерующего типа, может определяться следующей аналитической зависимостью [9, 10]:

где Уф, Уб - скорости фрезерования стенки скважины под действием отклоняющего усилия и углубления забоя, м/ч; Ьж - длина жесткой базы отклонителя, м.

На рис. 4.29 приведены схемы, поясняющие процесс набора кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия Р0ТК. При этом условием идеальной реализации данного вида искривления будет равенство нулю угла перекоса оси породоразрушающего инструмента по отношению к оси скважины.

Преимущество искривления скважины вследствие фрезерования стенки ствола скважины состоит в значительном увеличении интенсивности искривления скважин, что позволяет сократить интервал бурения и объем работ с отклоняющими КНБК. В то же время, как следует из зависимости (4.13), процесс набора кривизны фрезерованием существенно ограничивается величиной скорости бурения. Так, например, высокая скорость бурения приведет к ограничению или даже полному устранению процесса искривления ствола скважины. Оптимальной скоростью бурения, при которой в полной мере реализуется эффективное искривление за счет фрезерования стенки скважины, является скорость 0,8-1,0 м/ч (рис. 4.30) [9, 10].

Схемы, поясняющие процесс набора кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия Ротк

Рис. 4.29. Схемы, поясняющие процесс набора кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия Ротк: 1 - породоразрушающий инструмент; 2 - корпус ОНД

Зависимость интенсивности искривления от механической скорости бурения ОНД фрезерующего типа

Рис. 4.30. Зависимость интенсивности искривления от механической скорости бурения ОНД фрезерующего типа: 1 - теоретическая зависимость; 2 - зависимость, полученная по данным бурения

По данным работы [4], соотношения скоростей уф и Уб в процессе набора кривизны фрезерованием с интенсивностью 0,5; 1,0; 1,5 и 2° на 10 м проходки могут составить соответственно 0,0044; 0,0087; 0,0131 и 0,0174.

Эти соотношения скоростей фрезерования и углубления забоя независимо от величин отклоняющей силы и осевой нагрузки на долото и других факторов являются предельными. Из этих соотношений, располагая значением скорости бурения в процессе искривления скважины, можно рассчитать предельное значение скорости фрезерования стенки скважины.

Необходимо подчеркнуть, что некоторые операции при бурении скважин, например, забуривание нового ствола, исправление уже искривленного ствола и в других случаях, невозможны без фрезерования стенки скважины.

Для ОНД, реализующих совместное фрезерование и асимметричное разрушение забоя при несовпадающих по направлению действия процессов, интенсивность искривления может определяться по зависимости

В соответствии со схемой на рис. 4.31 отклоняющая сила является результатом прогиба вала-ротора отклонителя, что приводит к перекосу долота на забое в сторону, противоположную направлению фрезерования стенки скважины.

Для ОНД, реализующих совместное фрезерование и асимметричное разрушение забоя, интенсивность искривления может определяться по зависимости

На рис. 4.31 представлена схема, поясняющая процесс искривления ОНД под действием отклоняющей силы Р0ТК и перекоса породоразрушающего инструмента 1.

Схемы, поясняющие процесс искривления скважины при несовпадении по направлению фрезерования стенки скважины под действием отклоняющего усилия и перекоса породоразрушающего инструмента

Рис. 4.31. Схемы, поясняющие процесс искривления скважины при несовпадении по направлению фрезерования стенки скважины под действием отклоняющего усилия и перекоса породоразрушающего инструмента: 1- породоразрушающий инструмент; 2 - вал ОНД

Для полного использования способности отклоняющей компоновки искривлять ствол скважины с максимально возможной интенсивностью необходимо соблюдать следующие условия:

• наличие достаточной отклоняющей силы, чтобы фрезерование стенки ствола было эффективным;

• долото должно обладать достаточной боковой фрезерующей способностью и не ограничивать процесс искусственного искривления скважины.

Рис. 4.32. Схема, поясняющая процесс искривления скважины при совпадении направлений фрезерования стенки скважины под действием Ротк и перекоса породоразрушающего инструмента на примере ОНД на базе забойного двигателя с кривым переходником: 1 - долото; 2 - забойный двигатель; 3 - кривой переходник с углом перекоса 5; 4 - бурильная труба (УБТ)

По данным из работы [4], для любой отклоняющей компоновки, реализующей совместное фрезерование и асимметричное разрушение забоя, искривление ствола под действием фрезерования проявляется в 4,84 раза более активно в сравнении с неравномерным разрушением забоя скважины. Другими словами, для любой отклоняющей компоновки 83 % от возможного приращения искривления ствола может быть достигнуто вследствие фрезерования стенки скважины и лишь 17 % - вследствие неравномерного асимметричного разрушения забоя.

Если в процессе бурения отклонитель будет упруго деформирован, то доля искривления ствола скважины в результате неравномерного разрушения забоя уменьшится и при определенном значении станет равной нулю, а доля искривления за счет фрезерования стенки ствола, наоборот, увеличится и достигнет 100%. При дальнейшем повышении прогиба отклонителя будет иметь место перекос долота в обратную, от направления действия отклоняющего усилия, сторону, что приведет к снижению интенсивности набора кривизны (см. зависимость (4.14)).

В качестве примера искривления скважины за счет фрезерования стенки скважины и асимметричного разрушения забоя на рис. 4.32 приведен ОНД на базе гидродвигателя - турбобура или винтового забойного двигателя (ВЗД) 2 с кривым переходником 3. В данном случае перекос долота у задан углом несоосности 5 резьбовых соединений кривого переходника, а действие Ротк деформацией бурильных труб (УБТ) 4, расположенных над ним.

Отклоняющая сила Ротк за счет деформации бурильных труб, расположенных над кривым переходником, может быть определена по формуле [4, 9]

где EJT - жесткость бурильных труб, размещенных над турбобуром, даН м ; а - смещение бурильных труб при их деформации в стволе скважины, м; Дп и ух - углы перекоса, соответственно, осей резьбовых соединений кривого переходника и турбобура в скважине, град; / - длина турбобура с долотом, м.

где ?>д, dT, - диаметры, соответственно, долота, турбобура и бурильных труб, м;

Угол у определяется размерами турбобура:

Как следует из формулы (4.17), для увеличения отклоняющей силы следует увеличивать жесткость бурильных труб, устанавливаемых над кривым переходником и забойным гидродвигателем, использовать кривые переводники с большими углами перекоса осей резьбовых соединений. Определенное влияние на величину отклоняющей силы оказывает длина и диаметр забойного двигателя.

Для повышения отклоняющей силы или её определенного регулирования в практике буровых работ над турбобуром с кривым переводником обычно устанавливают УБТ.

Под действием Ротк происходит фрезерование стенки скважины, а долото, находящееся в состоянии перекоса, обеспечивает набор кривизны и за счет асимметричного разрушения забоя.

Пример. Рассчитать Ротк компоновки с кривым переходником с углом перекоса осей резьбовых соединений Дп = 2,5 град, длине турбобура 7 м, диаметре турбобура 172 мм, диаметре долота 190,5 мм, наружном диаметре труб над турбобуром 146 мм и внутреннем диаметре 90 мм.

Угол ут = (0,1905 - 0,172) 57,3/7 = 0,15 град.

Смещение труб над турбобуром а = 190,5 — 0,5 (172 — 146) = 31,3 мм.

Отклоняющее усилие

Рассмотрим конструкции некоторых ОНД в соответствии с классификацией, приведенной в табл. 4.7.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>