Полная версия

Главная arrow Строительство

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Породоразрушающий инструмент и его возможности при реализации искривления ОНД

Работоспособность, геометрические размеры и фрезерующая способность породоразрушающего инструмента в значительной степени определяют эффективность и технические возможности отклонителей при решении различных технологических задач, особенно в экстремальных условиях производства работ.

Под экстремальными условиями следует понимать реализацию искривления в интервалах:

  • • дробленых и легкоразрушаемых горных пород;
  • • в очень твердых и крепких горных породах;
  • • породах очень твердых и абразивных одновременно;
  • • в сильно анизотропных и перемежающихся по твердости горных породах;

• при забуривании дополнительного ствола скважины с мягкого искусственного забоя в твердых породах.

Перечисленные условия предъявляют свои особые требования к буровому инструменту, а соответствие параметров инструмента этим требованиям определяет результативность работ по искусственному искривлению.

Одной из главных способностей долот, предназначенных для направленного бурения, является способность долота фрезеровать стенку ствола скважины. Чтобы искривление проходило с фрезерованием стенки скважины, необходимы следующие условия:

  • • наличие на долоте достаточной для разрушения породы отклоняющей силы;
  • • долото должно обладать боковой фрезерующей способностью;
  • • деформация отклонителя (его прогиб), не должна быть такой, при которой теряется способность к фрезерованию стенки скважины.

Если в процессе бурения с отклонителем одно из этих условий будет нарушено, то углубление скважины будет происходить без фрезерования стенки скважины.

При искусственном искривлении применяют различные типы долот:

  • • шарошечные (двух- и трехшарошечные);
  • • долота с резцами PDC;
  • • специальные алмазные;
  • • специальные алмазно-шарошечные;
  • • долота с вооружением из сплава ВК (вольфрам-кобальт).

На рис. 4.62 приведен график изменения интенсивности набора кривизны на интервале работы отклонителя фрезерующего типа. Из графика следует, что в начальный момент работы ОНД интенсивность (вследствие максимальной величины отклоняющей силы) наибольшая (участок графика I), по мере формирования кривизны интенсивность снижается и стабилизируется после углубления забоя до того момента, когда наступает контакт стенки скважины и отклонителя (участок графика II). В последующем интенсивность искривления может быть относительно стабильной. Интервал стабилизации интенсивности искривления определяется стойкостью долота, а также прочностными и абразивными свойствами горной породы, так как по мере износа и притупления боковых резцов долота неизбежно наступает второй этап снижения интенсивности искривления (участок графика III) вследствие снижения скорости фрезерования стенки скважины.

На рис. 4.63 приведены данные об искривлении скважины за четыре рейса отклонителем [4] долотом типа С диаметром 214 мм с укороченным турбобуром диаметром 170 мм и длиной 4,8 м, с кривым переводником диаметром 178 мм с углом перекоса резьб 2,5°, УБТ диаметром 140 мм и бурильными трубами 140 и 114 мм.

Изменение интенсивности искривления на интервале углубления ствола скважины

Рис. 4.62. Изменение интенсивности искривления на интервале углубления ствола скважины

Данные об искривлении скважины

Рис. 4.63. Данные об искривлении скважины: 1 - изменение зенитного угла скважины с глубиной (90); 2 - изменение зенитного угла за рейс (А9); I-VI - номер рейса с отклонителем

Приведенные данные показывают на характер изменения угла набора в течение рейса, а именно рост угла в начале искривления, затем стабилизацию искривления и падения угла набора кривизны по мере износа долота к концу рейса.

В качестве параметра оценки фрезерующей способности долота применяют коэффициент боковой фрезерующей способности долота Данный коэффициент представляет собой тангенс угла наклона X к оси долота касательной к его корпусу, проходящей через верхнюю калибрующую точку С (рис. 4.64):

где 8 - завес шарошек, м; Д - полуразность диамеров корпуса долота у козырьков лап (Д,) и у спинки (в конце первого участка корпуса - DK); h0 - расстояние от верхней калибрующей точки шарошки до козырьков лап; hK - высота первого участка корпуса от козырьков лап.

Параметры шарошечных долот, определяющих величину коэффициента фрезерования по углу А

Рис. 4.64. Параметры шарошечных долот, определяющих величину коэффициента фрезерования по углу А

Формула (4.30) определяет расчет коэффициента фрезерования для шарошечного долота. Для долот иного типа данный коэффициент определяется так же: угол X рассчитывается как угол между вертикалью, проходящей через точку калибрования на боковой рабочей поверхности долота, и линией, проведенной из этой же точки к корпусу долота.

Коэффициент Кф характеризует способность долота производить боковое разрушение ствола, ограниченное корпусом долота, поскольку при углублении долота с отклонением возможность отклонения ограничивается его размерами. Угол бокового фрезерования долота характеризует половину приращения угла искривления ствола при углублении скважины на величину h0 + hK (рис. 4.64), ограничиваемого корпусом долота.

Ввиду малых значений угла X можно принять

Таблица 4.13

Значения коэффициентов боковой фрезерующей способности шарошечных долот

Диаметр долота, мм

139,7

190,5

215,9

244,5

269,9

295,3

349,2

393,7

Т ип долота: трехшарошечное одношарошечное

  • 0,19
  • 0,251
  • 0,22
  • 0,295

0,236

0,262

0,265

0,284

0,316

0,337

В табл. 4.13 приведены ориентировочные сведения о значениях фрезерующей способности долот.

При бурении нефтяных и газовых скважин в настоящий момент применяются в основном долота с вооружением из резцов РОС (рис. 4.65), которые показывают высокую эффективность и имеют самый высокий ресурс при бурении в мягких горных породах и горных породах средней твердости.

На рис. 4.65 показаны примеры боковой режущей структуры долот, предназначенных для фрезерования стенки скважины под действием отклоняющего усилия.

Боковое вооружение долота с высокой и ограниченной степенью фрезерующей способности

Рис. 4.65. Боковое вооружение долота с высокой и ограниченной степенью фрезерующей способности

Первая группа, включающая долота с высокой степенью фрезерующей способности, которые предназначены для решения следующих задач:

  • • искривление скважин отклонителями с высокой интенсивностью искусственного искривления - 0,2-1,0 град на 100 м проходки;
  • • забуривание дополнительных стволов скважин;
  • • бурение скважин с зенитными углами не более 20-30°.

Вторая группа, включающая долота с ограниченной способностью к фрезерованию, вследствие наличия специальных площадок увеличенного радиуса на боковой поверхности торца долота предназначены для решения несколько иных задач:

  • • искривление скважин отклонителями с малой интенсивностью искусственного искривления - 0,05-0,2 град на 100 м проходки;
  • • бурение скважин с зенитными углами более 30-60°;
  • • стабилизация направления скважины.

При выборе долота для систем типа Power Drive, Power Drive X5 (и иных систем фрезерующего типа) следует отдавать предпочтение долотам, которые могут обеспечить минимальную вибрацию, хорошую управляемость, наличие активного бокового фрезерующего вооружения, максимальной скорости проходки, надежности и долговечности. Выбор долот так же определяется профилем скважины, интенсивностью искривления, протяженностью интервала набора кривизны и интервалом ствола скважины, в котором проводится бурение с набором кривизны.

Для отклоняющих систем типа РУС с изменением направления перекоса долота (point-the-bit) фрезерующая способность долот не является столь важной в отличие от отклонителей фрезерующего типа. К таким системам относятся РУС Power Drive Archer, Geopilot, Power Drive Xceed.

В зависимости от интенсивности искривления i и, соответственно, радиуса кривизны скважины R, который является величиной обратно пропорциональной интенсивности искривления i=/R, применяются долота с различной высотой боковой калибрующей поверхности (рис. 4.66).

Для бурения стволов скважин по плавной дуге или при стабилизации направления скважины следует использовать долото с более удлиненным корпусом, например, с интегрированным калибратором (рис. 4.67, а).

Для реализации искривления по малому радиусу следует применять долота с уменьшенной высотой корпуса для большей способности долота к фрезерованию и повороту в стволе скважины. Подобные конструкции долот представлены на рис. 4.67, б, в.

Применение алмазных долот с отклонителями обуславливает специфические требования к их конструкции:

  • • особая форма торца долота с определенным углом конусности г, который обычно составляет 150-160° (рис. 4.68);
  • • высота торца матрицы /г;
  • • соотношение вооруженных площадей торцевой ST и боковой Sq частей матрицы, которое рекомендуется выбирать по соотношению осевого и отклоняющего усилий, воздействующих на долото при искривлении;
  • • угол бокового фрезерования X, который может быть равен 4-6°.
Схема набора кривизны различного радиуса долотами с удлиненной и укороченной матрицей - боковой калибрующей поверхностью

Рис. 4.66. Схема набора кривизны различного радиуса долотами с удлиненной и укороченной матрицей - боковой калибрующей поверхностью

Долота PDC с различной высотой боковой калибрующей поверхности

Рис. 4.67. Долота PDC с различной высотой боковой калибрующей поверхности: а - долото с высокой матрицей, интегрированное с калибратором DOG Sleeve; б, в - долота с короткой матрицей

Калибрующая часть алмазных долот, площадь которой определяется высотой матрицы /г, при искусственном искривлении скважин, помимо общей функции по сохранению диаметра инструмента, выполняет работу по фрезерованию стенки скважины под действием отклоняющего усилия.

Поэтому калибрующая часть должна выполняться таким образом, чтобы последний нижний ряд подрезных алмазов находился на кромке цилиндрической части матрицы. При этом обязательным условием для долот, предназначенных для искусственного искривления скважин, должно быть наличие угла бокового фрезерования X [3]. Для повышения угла бокового фрезерования долото должно иметь корпусную часть Дк меньшего диаметра и небольшую общую высоту.

Параметры алмазного долота

Рис. 4.68. Параметры алмазного долота

Угол бокового фрезерования важен для всех типов долот, предназначенных для искусственного искривления скважин, особенно для долот, чьё предназначение - формирование резких искривлений, например, при забуривании новых направлений ствола скважины с искусственного забоя.

На рис. 4.69 показано долото ИСМ для забуривания нового направления ствола скважины с искусственного (цементного) забоя при многоствольном бурении, для которого характерна значительная величина угла бокового фрезерования X и острая боковая режущая кромка, что позволяет обеспечивать активное фрезерование горной породы при формировании нового направления ствола скважины с цементного забоя.

Долото ИСМ с резцами из твердосплавноалмазного композита «Славутич»

Рис. 4.69. Долото ИСМ с резцами из твердосплавноалмазного композита «Славутич»: 1 - корпус долота; 2 - вставки «Славутич»; 3,4, 5 - промывочные отверстия и каналы

Подразделение Smith Bits компании SMITH разработало интегрированную аналитическую систему IDEAS для разработки более эффективных долот, приспособленных для конкретных условий применения. Платформа для проектирования IDEAS представляет собой программный продукт, решающий задачи анализа процессов на контакте порода-резец в динамической среде бурения, в которой по отдельности учитываются все компоненты КНБК.

Процесс сертификации долот для наклонно направленного бурения через IDEAS может учитывать специфические характеристики каждого типа роторной управляемой системы и точно определять производительность долота в любых условиях бурения, позволяя осуществлять проектирование алмазных долот, характеризующихся динамической стабильностью в сложных условиях наклонно-направленного бурения. Конструкции долот от IDEAS разрабатываются с помощью программы, обеспечивающей точное моделирование всей буровой системы, от места, в котором каждый резец вступает в контакт с породой, учитывая каждый компонент КНБК, до наземного механизма привода. С помощью IDEAS можно произвести индивидуальное и точное моделирование каждого типа роторной управляемой системы, а также прогнозировать то, как различные конструкции долот IDEAS будут работать в конкретных типах пород, с конкретной роторной компоновкой, рабочих параметрах и конфигурации КНБК

В основном долота IDEAS для направленного бурения имеют меньшее количество лопастей, алмазные резцы большего диаметра и меньшие углы наклона резцов по сравнению со стандартными долотами для направленного бурения. Резцы большого диаметра обеспечивают оптимальную плотность вооружения, более высокую нагрузку на резец и большую глубину внедрения резца для максимизации скорости проходки. Все эти характеристики подбираются с учетом характеристик буримости различных пород и специфических литологических свойств. Кроме того, так как долота IDEAS обеспечивают стабильность при направленном бурении и высокую производительность с различными типами управляемых компоновок, риск неоптимальной производительности в случае, если необходимо изменить конфигурацию системы, рабочие параметры или что-либо еще, существенно сокращается. Опыт показывает, что бурение со стабильным долотом не только сокращает его стоимость, но и обеспечивает более гладкий и качественный ствол скважины.

Программа 4-мерного моделирования i-Drill позволяет прогнозировать поведение долота вместе с компоновкой, с использованием сверхмощных вычислительных машин, при помощи метода конечных элементов и данных, полученных в ходе лабораторных исследований, свойств горных пород. Модель, построенная с помощью синхронизированного по времени моделирования с шестью степенями свободы, достаточно точно прогнозирует силы и вибрации, которые оказывают решающее воздействие на отклоняющее усилие на долоте, срок службы забойных датчиков, целостность бурильной колонны и эффективность процесса бурения в целом. Возможность выявления источника крутильных, осевых и поперечных колебаний позволяет инженерам по бурению и специалистам по искривлению ствола скважины определить необходимые изменения в КНБК и оптимизировать режимы бурения.

Одними из главных причин непроизводительных потерь времени в бурении принято считать аварии с трубами вследствие поломок из-за чрезмерных напряжений в бурильной колонне при их изгибе и кручении. i-Drill обеспечивает оценку прочности бурильной колонны с шагом один метр, получаемую измерением момента на изгиб в двух осях. Направление отклоняющих усилий на долоте определяется силами, возникающими на долоте при взаимодействии с породой с учетом динамики всей бурильной колонны. Стыковка виртуального пространства с реальным осуществляется путем введения в новейшее патентованное программное обеспечение компании Smith Bits данных лабораторных исследований физикомеханических свойств пород.

Широкий спектр возможностей программы i-Drill включает моделирование работы роторных управляемых систем наклонно направленного бурения фрезерующего типа (push-the-bit) и систем с изменением направления перекоса долота (point-the-bit), концентрических и эксцентричных расширителей, ВЗД, раздвижных и шарошечных расширителей.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>