Полная версия

Главная arrow Строительство

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Отлонители непрерывного действия на базе забойных двигателей

Главной особенностью, определяющей сумму преимуществ технологий производства буровых работ забойными двигателями (турбобуров и винтовых забойных двигателей - ВЗД), является отсутствие необходимости вращения бурильной колонны, что обеспечивает существенное упрощение конструкции отклонителей, более высокую стабильность, управляемость и возможность контроля над процессом набора кривизны, несколько больший диапазон технологических возможностей отклонителей на базе забойных двигателей.

Схема поперечного сечения объемного двигателя при соотношении пары статор

Рис. 4.33. Схема поперечного сечения объемного двигателя при соотношении пары статор: ротор - 4:3

Появление в 80-х гг. прошлого столетия малогабаритных винтовых забойных двигателей, разработанных ВНИИБТ и зарубежными компаниями, позволило оценить перспективы применения этих разработок для производства работ по направленному бурению разведочных скважин.

Винтовые забойные двигатели по своему принципу действия относятся к так называемым объемным машинам (двигателям или насосам) без клапанов с единственной движущейся деталью - ротором. По этому принципу созданы двигатели внутреннего сгорания, в частности для автомобилей, на основе двигателя Ванкеля, в котором камерами сгорания являются изменяющиеся объемы между ротором и статором специальной формы. Широко известны объемные насосы Муано. Рабочие органы двигателя (один из вариантов показан на рис. 4.33) - статор 1 и ротор 2 выполняются в виде многозаходных винтовых поверхностей: статор - многозаходной винтовой трубчатой полости (на рис. 4.33 статор имеет 4-заходную поверхность, ротор - объемное многозаходное телом винтообразной формы, имеет 3-заходную поверхность), представляющие в паре планетарный механизм. Число заходов винта статора на единицу больше числа заходов винта ротора. При этом ротор размещен внутри статора со смещением оси вращения, что позволяет ему при вращении окатываться по внутренней полости статора, копируя линию его поверхности.

Внутренняя поверхность статора выполнена из технической резины, поэтому достигается достаточно герметичное прилегание гладкой стальной наружной поверхности ротора к внутренней поверхности статора, а перепад давлений в полостях между ротором и статором при прокачивании бурового раствора обеспечивает вращение ротора вокруг оси статора.

Отклонители на базе ВЗД могут применяться в самых разнообразных геологических условиях для искривления скважины по плавной траектории или для забуривания дополнительных стволов от искусственных забоев при многоствольном бурении. На базе ВЗД работают в настоящий момент основные типы отклонителей, в том числе такие, как роторные управляемые системы (РУС).

Отклонители на основе турбобуров или ВЗД имеют следующие схемы:

  • • над турбобуром 1 устанавливается «кривой» переводник 2 - переводник, имеющий несоосные соединительные резьбы (угол несоосно- сти 1-3°) (рис. 4.34, а, б);
  • • перекос долота в скважине обеспечивается фиксированным изгибом корпуса забойного двигателя посредством соединения верхнего узла - турбины 1 с нижним узлом-шпинделем 3 через «кривой» переводник 2, а валов турбины и шпинделя через специальный шарнир (рис. 4.34, в);
  • • перекос турбобура 1 и долота обеспечивается «кривым» переводником 2 и накладкой на корпусе турбобура 3 (рис. 4.34, г);
  • • на нижний ниппель турбобура или ВЗД 1 устанавливают накладку 2 для создания поперечного усилия на долоте для фрезерования стенки скважины (рис. 4.34, д);
  • • на нижний ниппель гидродвигателя 1 устанавливают накладку 2 с плашками 3 и резиновой опорой, толщина которой позволяет регулировать интенсивность искривления (рис. 4.34, е).

Технические средства, представленные на рис. 4.34, предназначены для набора кривизны и забуривания новых направлений стволов скважин. Отличительной чертой данных отклонителей являются жестко заданные параметры искривления, так как углы перекоса «кривого» переводника 2 (рис. 4.34, а, б, в) и накладок на корпусе 3 (рис. 4.34, г, е, д) строго фиксированы и для корректировки этих параметров необходимо техническое средство извлекать на поверхность и заменять данные элементы. Поэтому в процессе набора кривизны исключена возможность как прекращения искривления ствола, так и строго регламентированное изменение интенсивности набора кривизны.

Опыт бурения наклонно направленных скважин в различных районах показывает, что отклоняющими компоновками на базе забойных гидродвигателей с «кривым» переводником (рис. 4.34, а, б, в) возможно обеспечить кривизну скважины 6-9° на 100 м проходки при угле перекоса кривого переводника 1,5-2° и 9-12,5° на 100 м проходки при угле перекоса 2,25-3,5°. В случае применения наддолотного калибратора кривизна скважины в интервале набора зенитного угла уменьшается на 1-3° на 100 м проходки. Применение укороченных (до 5-7 м) турбобуров позволяет увеличить кривизну до 15-20° на 100 м проходки.

Схемы отклонителей на базе забойных гидродвигателей

Рис. 4.34. Схемы отклонителей на базе забойных гидродвигателей

Отклоняющие компоновки с накладками на корпусе (рис. 4.34, г, е, д) обеспечивают при наборе зенитного угла кривизну 5-15° на 100 м проходки - в зависимости от толщины накладки 3 и горно-геологических условий бурения. Подобные отклонители применяют как с металлическими накладками, так и упругими ниппелями (ЭУН) для турбобуров диаметром 240, 195 и 172 мм. Эксцентричный упругий ниппель устанавливается вместо серийного ниппеля на нижнем конце корпуса забойного двигателя или на шпинделе на расстоянии 1-1,2 м от торца долота (рис. 4.35). Он включает корпус с выполненными в нем пазами типа «ласточкин хвост», в которых установлены плашки 2, армированные твердым сплавом, и амортизаторы в виде упругого элемента 4. Выход плашки 2 в радиальном направлении за габариты долота в свободном состоянии для 195 мм турбобура 13 мм, для 240 мм турбобура - 25 мм. В скважине плашки 2 вдавливаются в пазы, сжимают упругие элементы 4 и смещают корпус двигателя, вал и долото в противоположную сторону, обусловливая возникновение поперечной отклоняющей силы на долоте Р. ЭУН комплектуются амортизаторами жесткостью 30 и 15 кН/см. Кривизна скважины, формируемая КНБК с ЭУН, в значительной степени зависит от жесткости амортизаторов и числа секций забойного двигателя и может составлять 5-15 град на 100 м проходки. Основное достоинство таких отклонителей - их безопасность при спускоподъемных операциях и работе в скважине.

Отклонитель с радиально-упругими накладками

Рис. 4.35. Отклонитель с радиально-упругими накладками: а - общий вид; б - работа в скважине; 1 - шпиндель турбобура; 2 - плашки; 3 - долото; 4 - упругий элемент

Широко распространены отклонители с шарнирным устройством. К ним относятся турбинные отклонители типа ОТ, в которых нижний узел отклоняющего устройства соединяется с верхним через кривой переводник, а валы - через специальный шарнир (рис. 4.34, в). Верхняя секция турбобура-отклонителя представляет собой верхнюю секцию обычного турбобура соответствующего диаметра. Угол изгиба «кривого» переводника 1-2°. Отклонители такого типа позволяют получить кривизну скважины в интервале набора зенитного угла равную 10-30° на 100 м проходки.

Для бурения наклонной части ствола используются следующие основные виды отклонителей [8]:

  • 1. Долото диаметром 295,3 мм, одна секция турбобура ТСШ-240, искривленный переводник с углом перекоса 1,5-3 град, переводник с магнитной меткой (устройство для ориентирования отклонителя), 178-мм или 203-мм УБТ длиной 9-12 м, легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ) длиной 25 м, бурильные трубы.
  • 2. Долото диаметром 215,9 мм, винтовой двигатель ДЗ-172 или Д5-172, искривленный переводник, переводник с магнитной меткой (устройство для ориентирования отклонителя), 178-мм УБТ, ЛБТ длиной 25 м, бурильные трубы.
  • 3. Долото диаметром 295,3 мм, турбинный отклонитель ТО2-240, переводник с магнитной меткой (устройство для ориентирования отклонителя), 178-мм УБТ, ЛБТ длиной 25 м, бурильные трубы.
  • 4. Долото диаметром 215,9 мм, турбинный отклонитель Т02-195, переводник с магнитной меткой, 178-мм УБТ, ЛБТ длиной 25 м, бурильные трубы.
  • 5. Долото диаметром 215,9 мм, шпиндель-отклонитель Ш01-195, одна-две секции турбобура диаметром 195 мм, переводник с магнитной меткой (устройство для ориентирования отклонителя), 178-мм УБТ, ЛБТ длиной 25 м, бурильные трубы.
  • 6. Долото диаметром 215,9 мм, шпиндель винтового забойного двигателя (ДЗ-172, Д5-172), искривленный переводник, рабочая пара двигателя, переводник с магнитной меткой, 178-мм УБТ, ЛБТ длиной 25 м, бурильные трубы.
  • 7. Долото диаметром 215,9 мм, шпиндель винтового забойного двигателя (Д2-195), искривленный переводник, рабочая пара двигателя, переводник с магнитной меткой (устройство для ориентирования отклонителя), 178-мм УБТ, ЛБТ длиной 25 м, бурильные трубы.
  • 8. Долото диаметром 190,5 мм, турбинный отклонитель ТО-172, переводник с магнитной меткой (устройство для ориентирования отклонителя), 178-мм УБТ, ЛБТ длиной 25 м, бурильные трубы.
  • 9. Долото, наддолотный полноразмерный калибратор (или без него), турбобур с накладкой на ниппеле (или с устройством УЭН), переводник с магнитной меткой (устройство для ориентирования отклонителя), ЛБТ длиной 25 м, бурильные трубы.
  • 10. Долото, наддолотный полноразмерный калибратор (или без него), турбинный отклонитель с углом перекоса валов 1-2 град, переводник с магнитной меткой (устройство для ориентирования отклонителя), ЛБТ длиной 25 м, бурильные трубы.

Параметры отклонителей типа ТО, Ш01-195 и Д-172 м приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7

Параметры отклонителей на базе забойных двигателей

Параметр

Т ип отклонителя

ТО-172

Т02-195

ТО2-240

Ш01-195

Д-172М

Внешний диаметр, мм

172

195

240

172

Длина, м

10,7

10,1

10,2

5,6

Частота вращения вала, мин 1

670

660

660

115-220

Вращающий момент, Н м

650

810

2040

195

2900-4150

Расход жидкости, м3

0,025

0,03

0,05

4,6

0,023-0,036

Перепад давления, МПа

3,8

3,3

4,1

4,5-6,0

Угол перекоса искривленного переводника, град

1; 1,5; 2

1; 1,5; 2

1; 1,5; 2

2,5-3,0

Таблица 4.8

Ориентируемые КНБК для бурения направленных скважин

Диаметр

долота,

мм

Шифр забойного двигателя

Диаметр

кривого

переводника,

мм

Угол изгиба кривого переводника или механизма искривления, град

Диаметр УБТ, мм

  • 393,7
  • (346,0)

Т12МЗБ-240

219(203)

2,5-3,0

219 (203) выше 178

ЗТСШ-240 (1 секция)

219(203)

2,5-3,0

219 (203) выше 178

ТО-240

-

1,5-2,0

203(178)

295,3

Т12МЗБ-240

203

2,0-3,0

219(203)

ЗТСШ-240 (1 секция)

203

2,0-3,0

219(203)

ТО-240

-

2,0-2,5

203(178)

  • 269,9
  • (267,5)

Т12МЗБ-240

203

2,0-3,0

203(178)

ЗТСШ-240 (1 секция)

203

2,0-3,0

203(178)

ТО-240

-

1,5-2,0

203(178)

  • 269,9
  • (267,5;
  • 244,5)

Т12МЗБ-195

178

2,0-3,0

178

Ш01-195

-

1,5-2,0

178

ТО-195

-

1,5-2,0

178

ТО-172

-

1,5-2,0

178

Д2-172

-

1,5-2,0

178

215,9

Т12МЗБ-195

178(159)

2,0-2,5

178 (159)

Ш01-195

-

1,5

178(159)

ТО-195

-

1,5

178 (159)

ТО-172

-

1,5

178 (159)

Д2-172

-

1,5

178(159)

  • 190,5
  • (188,9)

ОТС-172 (164)

-

1,5

146

В табл. 4.8 приведены примеры ориентируемых КНБК.

Отклонитель Д-172 обеспечивает искривление скважины по радиусу, равному 150-200 м (интенсивность искривления 3,0-3,8 град/10 м). У данного отклонителя «кривой» переводник установлен между секциями шпинделя и двигателя.

Турбинные отклонители типа Т02 и Ш01-195 обеспечивают искривление скважин по радиусу 290-700 м (интенсивность искривления 0,8-2,0 град/10 м).

Для искривления скважины по малому радиусу (40-50 м) используются отклонители типа ДГ2-106, ДГ-155, ОШ-172 с шарнирными соединениями. Корпусные дополнительные шарниры позволяют снизить радиус кривизны до 20-30 м, а интенсивность искривления увеличить до 2-3 град/м.

Схема забойной компоновки с управляемым переводником

Рис. 4.36. Схема забойной компоновки с управляемым переводником: 1 - долото; 2 - стабилизатор; 3 - «кривой» переводник; 4 - гидродвигатель; 5 - электронный узел управления

С увеличением осевой нагрузки на долото способность отклоняющих КНБК увеличивать зенитный угол несколько уменьшается. Рациональное значение удельной осевой нагрузки на долото - 4-6 кН на 1 см диаметра долота.

Следующим этапом в развитии отклоняющих систем на базе забойных гидродвигателей стало создание агрегатов с управляемыми дистанционно с поверхности узлами отклонения, например, отклонителей с изменяемыми углами перекоса «кривых» переводников, устанавливаемых чаще над долотами (рис. 4.36).

Угол перекоса переводника может изменяться от 0 до 4°. В этом случае отклонение переводника позволяет проводить искривление скважины в одной плоскости (система 2D).

В практике наклонного и горизонтального бурения используются отклонители как с изменяемым углом изгиба искривленного переводника на забое, так с двойным изгибом корпуса и с децентраторами - накладками на корпусе.

Такие отклонители работают в сочетании с забойным измерительным комплексом, который способен осуществлять контроль параметров ствола скважины и режима бурения.

Например, интересен отклонитель Telepilot, который создан в FIN и включает три модуля: короткий винтовой забойный двигатель; механизм искривления; забойную систему управления механизмом искривления [5].

Механизм искривления, который устанавливается под забойным двигателем, состоит из корпуса в виде двух трубчатых секций, связанных между собой подшипником, ось которого наклонена к оси каждой секции под равным углом, расположенных в корпусе привода и фиксирующего узла (рис. 4.37). При вращении нижней секции корпуса происходит его перекос. Так, например, при повороте нижней секции корпуса на 180° относительно исходного положения, при котором оси секции находятся на одной прямой, корпус изгибается на максимальный угол (рис. 4.37, б). Путем последовательных поворотов можно получить различные значения угла перекоса корпуса.

Механизм искривления отклонителя Telepilot

Рис. 4.37. Механизм искривления отклонителя Telepilot: а - положение без перекоса - бурение в режиме вращения колонны без набора кривизны; б - положение с перекосом - бурение забойным двигателем с набором кривизны

Система Telepilot может иметь механическую или электромеханическую забойную систему управления механизмом искривления.

При механическом управлении в нижней части поршня установлено седло под бросовый шаровой клапан, а в верхней части бурильной колонны - устройство, позволяющее вводить шар в полость бурильной колонны. Для использованных шаров под поршнем установлен контейнер.

При размещении шара в седле клапана давление промывочной жидкости над поршнем повышается. При этом поршень перемещается в крайнее нижнее положение, нижняя секция поворачивается относительно верхней секции на одну позицию, а шаровой клапан освобождается и попадает в контейнер. Под действием пружины поршень возвращается в исходное положение, а нижняя секция фиксируется.

Система электрического управления включает гибкую мембрану, разделяющую промывочную жидкость и масло, которое заполняет полость узла управления и управляемые с поверхности электроклапаны. По команде с поверхности электроклапан приводится в действие, и масло пропускается к поршню, который под действием масла перемещается и поворачивает нижнюю секцию на заданный угол.

После проводки прямолинейного участка скважины для искривления корпуса отклонителя в полость бурильных труб сбрасывается шар или по

Шарнирный отклонитель Dine- Flex фирмы Dine-Drill

Рис. 4.38. Шарнирный отклонитель Dine- Flex фирмы Dine-Drill: а - нейтральное положение отклонителя для выполнения СПО; б - положение отклонителя с перекосом для искривления с набором кривизны; 1 - корпус; 2 - верхний подпружиненный поршень; 3 - возвратная пружина; 4 - нижний поршень; 5 - кулачковый механизм; 6 - шарнир; 7 - вставной сменный затвор

дают сигнал для привода электроклапана, в зависимости от того, какой привод имеет отклонитель - механический или электромеханический. После ориентирования отклонителя бурится ствол скважины с набором кривизны. За счет последовательного изменения угла перекоса корпуса отклонителя меняют радиус кривизны ствола скважины.

Отклонитель Dine-Flex компании Dine-Drill по своей конструкции и принципу действия отличается от других шарнирных отклонителей (рис. 4.38). Он имеет в своем составе корпус 1, подпружиненный верхний поршень 2, возвратную пружину 3, нижний поршень 4, кулачковый механизм 5, шарнир 6 и вставной сменный затвор 7. Под давлением бурового раствора поршни 2 и 4 вместе с соединяющим их полым штоком опускаются вниз и с помощью кулач- кого механизма 5 поворачивают нижнюю часть отклонителя вокруг шарнира 6, как показано на рис. 4.38, в. Затвор 7 бросают в бурильную колонну для посадки в специальное гнездо, что позволяет жестко фиксировать положение нижней части отклонителя или в прямолинейном состоянии (рис. 4.38, а) или в состоянии перекоса (рис. 4.38, б). В первом случае возможно бурение прямолинейного ствола, а во втором - бурение с набором кривизны. Затворы 6 различного размера позволяют получить перекос отклонителя от 0 до 2°.

Спускоподъемные операции (СПО) производят при нейтральном положении отклонителя (рис. 4.38, а). Отклонитель позволяет осуществлять бурение с отклонением и без отклонения чередованием интервалов путем спуска в компоновку различных по размеру затворов 7. Указанные отклонители выпускают диаметром 127,0, 165,1, 196,9 мм.

Отклонители с двойным изгибом корпуса включает гидравлический забойный двигатель и шпиндель, корпус которого выполнен с двойным изгибом. При этом направление одного изгиба противоположно направлению другого. Общий угол изгиба изменяется от 0,13 до 0,78° (рис. 4.39). Для передачи вращающего момента долоту вал забойного двигателя имеет в месте изгиба ^/-образный шарнир. В верхней и нижней части забойного двигателя расположены опорно-центрирующие элементы.

Отклонитель с двойным изгибом корпуса

Рис. 4.39. Отклонитель с двойным изгибом корпуса: о - бурение прямолинейного интервала; б - бурение с набором кривизны; 1 - центратор; 2 - забойный двигатель; 3 - отклонитель с двойным изгибом; 4 - долото

При проводке прямолинейного участка ствола скважины бурильную колонну вместе с двигателем и отклонителем вращают с частотой 60-100 мин-1 (рис. 4.39, а). Для отклонения скважины производят ориентирование отклонителя системами телеметрии, а бурение производят без вращения колонны, но с работающим забойным двигателем (рис. 4.39, б). Для эффективного набора кривизны становится важным долото, которое должно быть высокоресурсным и соответствовать требованиям бурения скважины с набором кривизны. В этом случае более эффективны долота с резцами PDC, как имеющие более высокий ресурс.

Схема отклонителя с двумя узлами отклонения

Рис. 4.40. Схема отклонителя с двумя узлами отклонения: 1 - долото; 2 - гидродвигатель; 3 - отклонитель азимутальный; 4 - отклонитель зенитный; 5 - забойная телеметрическая система

Чередуя роторный и турбинный способы бурения, можно осуществить проводку скважин по сложному профилю одним рейсом без смены КНБК.

При использовании данной технологии бурения направленных скважин и горизонтальных стволов были отмечены такие недостатки, как снижение производительности бурения и формирование стволов скважин сложной спиралеобразной формы ствола, что требует длительной и трудоемкой проработки ствола скважины. Данный метод проходки направленных горизонтальных скважин в западной технической литературе получил название «слайдирование».

Из подобных отклоняющих систем в настоящее время наиболее известна компоновка Power Рак Motlrs компании Schlumberger с ВЗД XF и ХС и регулируемым переводником, установленным под двигателем. Компоновка предназначена для искривления скважин с малым и средним радиусами кривизны. Крутящий момент 380-32 500 Н м. Мощность 11—

522 кВт. Наружный диаметр корпуса ВЗД 54-285, 5 мм.

Отклоняющая система с децентратором (эксцентричная накладка на корпусе забойного двигателя - пример на рис. 4.34, г и рис. 4.35) включает забойный двигатель с долотом, центратором и расположенный между долотом и центратором децентратор. По другой схеме децентратор может располагаться над центратором.

Назначение децентратора заключается в создании отклоняющей силы на долоте.

В отличие от отклонителя с двумя изгибами кривого переводника у отклонителя с децентратором очень маленький угол перекоса долота в скважине, поэтому диаметр ствола скважины при роторном режиме бурения увеличивается незначительно. Отклоняющая система с децентратором имеет те же недостатки, что и отклоняющая система с двумя изгибами.

Известно создание отклоняющих систем с «кривыми» переводниками, которые имеют два управляемых шарнирных узла, отклонители с кривыми переводниками, устанавливаемые над забойным двигателем (рис. 4.40). В этом случае за счет работы двух шарнирных узлов система работает не в одной плоскости набора кривизны, а в трех плоскостях, давая эффект формирования пространственной кривизны ствола (система 3D).

В этом случае потребовалось создание телеметрической системы, которая включает как средства непрерывного контроля положения забоя скважины в пространстве и узел управления, так и средства дистанционной передачи данных с забоя скважины на поверхность и команд управления с поверхности к блоку управления и самому отклонителю. Узел управления углом перекоса переводника выполняют гидравлическим.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>