книги / Технология бурения наклонно направленных скважин с большим отклонением забоя от вертикали
..pdfмуте следует использовать УБТ длиной, указанной в таблице 6.12, ес ли же необходимо изменять кривизну ствола и одновременно ази мут скважины, то длина УБТ должна быть сокращена до значения
/увт = 0,25/убт-
6.3.5. Выбордиаметра центратора (калибратора)
Рекомендации по применению КНБК с калибратором Известно, что в процессе бурения наклонной скважины калиб
ратор выполняет одновременно ряд функций - калибрует ствол сква жины, и, в зависимости от места установки в составе КНБК как цен тратор, может обеспечить набор, стабилизацию или спад кривизны. Вместе с тем, КНБК, включающая: долото, калибратор, УБТ (забой ный двигатель) является неустойчивой системой. Так, если калибра тор установлен над долотом, то в наклонном стволе он обеспечива ет набор кривизны. Однако при потере диаметра (износе) калибрато ра происходит интенсивный спад (уменьшение) зенитного угла сква жины. В вертикальной скважине, при потере устойчивости КНБК под действием чрезмерно большой осевой нагрузки на долото, ка либратор над долотом способствует набору кривизны. Поэтому в вер тикальном стволе для предупреждения искривления скважины либо следует применять КНБК с двумя калибраторами в сочетании с УБТ между ними, так называемую «жесткую» компоновку, либо один ка либратор (центратор), удаленный от долота на расчетное расстоя ние - «маятниковая» компоновка.
При бурении интервалов стабилизации зенитного угла в наклон ной скважине применение калибратора над долотом может оказать ся необходимым, особенно при большой проходке на долото, про должительной работы калибратора. В этих условиях с целью устра нения отрицательного влияния износа калибратора по диаметру на параметры искривления скважины, рекомендуется использование страховочного центратора, установленного на расчетном расстоянии от калибратора. Страховочный центратор воспримет на себя нагруз ку от массы УБТ, создающей на долоте отклоняющую силу и обес печит стабилизацию зенитного угла вместо его спада. Диаметр стра ховочного центратора duопределяется по формуле:
(6.48)
161
где/ = 0,5(</д- ^убт(з/д)); к ~ расстояние от долота до центратора; /т/к - расстояние от долота до точки касания УБТ (забойного двигателя с нижней стенкой ствола скважины; Д/к определяется по формуле (6.5) при условии, что КНБК состоит из долота и УБТ (забойного двига теля); <1]„</убт(з/д) - диаметры долота, УБТ (забойного двигателя). В табл. 6.13 приводятся расчетные значения da в зависимости от величи ны зенитного угла скважины, /„ при КНБК-(1,2) - долото 0 215,9 мм, калибратор 0 215,9 мм с турбобуром ЗТСШ1-195 и УБТ 0 178 мм и КНБК-3, включающей - долото 0 215,9 мм, УБТ 0 178 мм. Из данных табл, видно, что с увеличением /ц диаметр центратора уменьшается более интенсивно, чем при увеличении зенитного угла ствола скважи ны. Таким образом, при проходке интервалов скважины, где имеет ся вероятность износа диаметра калибратора, для сведения до мини мума отрицательного эффекта от этого на процесс искривления сква жины, в состав КНБК необходимо включить страховочный центра тор, диаметр и место установки выбирается по табл. 6.14.
Представляет большой практический интерес определение диаме тра центратора, применяемого для сбитая кривизны наклонного ство ла, т. е. на максимальном удалении центратора от долота. При этом условии на центратор приходится максимальная по величине прижи мающая сила Лц. Задача сводится к минимизации величины Rn за счет изменения диаметра центратора. В качестве примера табл. 6.14 и на рис. 6.9 приводится результаты расчета реакции на долоте Ra и на центраторе Rn при расстоянии центратора /ц = 12 м различного диаметра dn. Зенитный угол ствола скважины диаметром 215,9 мм равен 50°, диаметр долота - 215,9 мм, диаметр УБТ - 178 мм.
Из данных табл. 6.14 видно, что заметное увеличение Ra и умень шение Лц по мере уменьшения dw объясняется уменьшением /т/к и, соответственно, изгибающего момента на центраторе.
Как было отмечено выше, компоновка с калибратором является весьма универсальной компоновкой, хотя его применение требует си стематического и тщательного контроля состояния калибратора и па раметров искривления скважины. В этом смысле создание техническо го устройства с программным управлением контролирующего износ калибратора в процессе бурения оказало бы большую помощь в повы шении эффективности применения калибратора в наклонном бурении.
Относительно использования изношенных калибраторов пред лагается следующее: после отработки долбления производится за мер диаметра калибратора и затем по формуле (6.48) при известном </ц = dKнаходится /„.
1 6 2
Зависимость диаметра центратора в КНБК от зенитного угла ствола наклонной скважины и расстояния от долота до центратора
КНБК
Долото 0 215,9 мм, калибратор 0 215,9 мм, ЗТСШ1-195
Долото 0 215,9 мм, калибратор 0 215,9 мм, УБТС0178 мм
Долото 0 215,9 мм, УБТС 0 178 мм
Расстояние от долота до ценЗенитный угол ствола скважины а, град.
тратора Л, м |
10 |
30 |
50 |
70 |
90 |
2 |
212 |
211,2 |
210,8 |
210,6 |
210,2 |
4 |
209,2 |
207,4 |
206,6 |
206,2 |
205,6 |
6 |
206,2 |
203,6 |
202,4 |
201,8 |
201 |
2 |
210,9 |
209,4 |
208,6 |
208,2 |
208,1 |
4 |
205,8 |
202,8 |
201,2 |
200,5 |
200,2 |
б |
200,7 |
196,2 |
193,7 |
192,7 |
192,2 |
8 |
195,6 |
189,6 |
186,5 |
185 |
184,3 |
2 |
209,1 |
207,2 |
206,2 |
205,7 |
205,6 |
4 |
202,5 |
198,4 |
196,5 |
195,4 |
195,2 |
6 |
195,8 |
189,7 |
186,8 |
185,2 |
184,8 |
163
Таблица 6.14
Зависимость реакции на долоте и центраторе от диаметра центратора
Диаметр |
Расстояние от центра |
Изгибающий |
Реакция на |
Реакция на |
центратора |
тора до точки касания |
момент на |
долоте Лд, |
центраторе |
</„, мм |
УБТ со стенкой сква |
центраторе |
кН |
Rw кН |
|
жины Ц1„ м |
М, кН-м |
|
|
215,9 |
10,22 |
21,76 |
5,687 |
4,258 |
208,0 |
9,64 |
19,36 |
5,887 |
4,017 |
200,0 |
8,92 |
16,54 |
6,121 |
3,717 |
192,0 |
7,97 |
13,23 |
6,407 |
3,320 |
184 |
6,45 |
8,67 |
6,777 |
2,690 |
На последующем долблении калибратор, поднятый на верх от долота, снова превращается в опорно-центрирующий элемент, созда ющий на долоте отклоняющую силу, направленную на набор зенит ного угла скважины. Такое мероприятие позволит одновременно с ре шением задачи по регулированию зенитного угла ствола скважины обеспечить экономию материальных средств за счет использования практически изношенных и подлежащих списанию калибраторов.
6.3.6.Расчетдлины УБТ в составе неориентируемой КНБК при бурении
впрямолинейнонаклонномстволе скважины
При бурении наклонных скважин, особенно наклонных скважин с большими отклонениями ствола от вертикали, и горизонтальных скважин значительную часть длины ствола составляет интервал ста билизации кривизны. На этом интервале, как правило, применяют КНБК, в состав которого включают максимально-возможную длину УБТ для передачи на долото максимальной осевой нагрузки Ga. При этом длину УБТ - /убт в вертикальной скважине с учетом того, что нагрузка на долото передается за счет веса продольной составляю щей КНБК —^уБтА/БтСОБа [27]:
при роторном бурении:
кОа |
(6.49) |
|
/уБТ/рот ~ q y ^ c o s a |
||
|
||
(G g -G rf) |
(6.50) |
|
при бурении с применением забойного двигателя: |
|
/уБТ/заб -
Я у в r c o s a
164
где к - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,20...1,25 [27]. Например, в наклонной скважине с а = 50° при бурении долотом 0 215,9 мм в сочетании с УБТ 0 178 мм (роторное бурение) и с за бойным двигателем ЗТСШ1-95 с массой GR= 4790 кг. Длину УБТ в КНБК составит:
|
убт =163,7 кг/м; |
|
I УБТ/рот - |
1,25 15000 = 178,2 м; |
|
|
163,7-0,6428 |
|
|
1,25(15000-4790) |
(6.51) |
I УБТ/заб.двиг — |
121,3 м. |
|
|
163,7-0,6428 |
|
Из формулы (6.51) видно, что с увеличением а значение /увт воз растает и, следовательно, использование УБТ столь значительной длины в НСБО небезопасно с точки зрения возникновения аварий и осложнений в скважине. Решение проблемы заключается в возмож ности использования УБТ меньшей длины при несокращении вели чины, передаваемой на долото осевой нагрузки.
В наклонной скважине КНБК ложится на нижнюю стенку ствола под действием поперечной составляющей массы «g/sina» и представ ляет собой систему уже потерявшей устойчивость первого поряд ка [70]. В [76] рассматривается деформационное состояние стержня длиной /, установленного на двух опорах, расположенных внутри же сткой трубы (основания), и подверженного действию продольной сжи
мающей силы Р. Отмечается, что при Р = %2EJ стержень теряет ус-
I2
/
тоичивость, на расстоянии 1 Х= — от левой опоры приходит в сопри-
косновение с нижней стенкой трубы и лишь при Р > |
А гю |
— происхо |
дит прилегание стержня к трубе по участку. Устойчивое положение стержня до повторной потери устойчивости стержня находится в пределах:
4 |
^ l 6 n2EJ |
(6.52) |
||
2 |
S " кр - |
2 |
||
|
||||
165
При /,=■£.
Применительно к состоянию КНБК в наклонном стволе скважи ны можно принять, что 1 \ = /т/к, где /т/к - расстояние от долота до точ ки касания УБТ с нижней стенкой ствола, определяемое по формуле (6.5), а Ркр = (гд. Таким образом осевую нагрузку на долото, без опа сения потерь устойчивости КНБК, можно передавать в диапазоне нагрузок, определяемых по формуле (6.52). В табл. 6.15 приводится
значение |
вычисленное по формуле: |
|
|
|
4n2EJ |
(6.53) |
|
|
<?д = |
2 |
|
|
1 |
|
|
где / = 2/] = 2/т/к. Значение /т/к в зависимости от а для двух типов КНБК приводится в табл. 6.11. Рекомендуемая длина УБТ находит ся в пределах /увт= (2,0...4,0) /тЛс.
Таблица 6.15
Допустимая осевая нагрузка на элементы КНБК в зависимости от величины зенитного угла ствола скважины
|
|
Осевая нагрузка на долото <7Я, 103 кН |
|
||
КНБК |
Зенитный угол ствола скважины о, град. |
||||
|
10 |
30 |
50 |
70 |
90 |
КНБК-1 |
343,2 |
583,4 |
720,3 |
800,0 |
822,3 |
Долото 0 215,9 мм, |
|
|
|
|
|
УБТС 0 177,8 мм |
|
|
|
|
|
КНБК-2 |
234,5 |
400,3 |
494,3 |
546,9 |
561,4 |
Долото 0 215,9 мм, |
|
|
|
|
|
УБТС 0 165,1 мм |
|
|
|
|
|
КНБК-3 |
111,1 |
188,5 |
233,4 |
258,7 |
266,7 |
Долото 0 215,9 мм, |
|
|
|
|
|
УБТС 0 139,7 мм |
|
|
|
|
|
Из данных табл. 6.15 видно, что расчетные значения Ga при при менении КНБК-1 значительно превышают используемые на практи ке значения Ga для данного размера долота. Известно, что КНБК-3 не применяется на практике. Расчеты для КНБК-2 выполнены с це лью оценки возможности передачи на долото нагрузки весом бу рильных труб. В результате выполненных расчетов представляется возможность утверждать, что при бурении НСБО во избежание ава рий и осложнений следует в составе КНБК использовать минималь
166
но допустимое значение длины УБТ, а осевую нагрузку на долото тре буемой величины передавать за счет УБТ небольшой длины и весом части бурильных труб 0139,7 мм (тяжелых труб HWDP 0 127 мм).
6.4.Выводы
1.Разработана методика проектирования КНБК для предупреж дения искривления ствола на вертикальном участке профиля НСБО и искривления вертикальных скважин. Предложена конструкция КНБК
сменьшим числом ОЦЭ и меньшей общей длины, по сравнению с широко применяемой на практике «жесткой» КНБК. Длины секций рассчитаны таким образом, что передаваемая на каждую секцию осе вая нагрузка меньше, чем критическая нагрузка при которой проис ходит потеря устойчивости данной секции КНБК. Применение та кой КНБК позволит улучшить условия работы долота на забое, све сти до минимума степень риска аварии с бурильным инструментом, обеспечит предупреждение искривления скважины.
2.Применение КНБК — долото, калибратор, УБТ (при роторном бурении; долото, калибратор, забойный двигатель, — не рекоменду ется. В такой КНБК, при потере устойчивости калибратор работает как отклонитель, способствуя интенсивному набору кривизны. При менение наддолотного калибратора допускается в сочетании с ОЦЭ, установленным на расчетном расстоянии от долота.
3.Разработана прихватобезопасная КНБК в сочетании с ОЦЭ (при роторном бурении и забойными двигателя) и секциями УБТ, длины которых рассчитываются таким образом, чтобы касание КНБК с ниж ней стенкой ствола наклонной скважины происходило в точках. При этом уменьшается площадь контакта и сила прижатия КНБК к стен ке скважины под действием дифференциального давления в системе скважина-пласт. Обеспечивается предупреждение прихвата инст румента.
4.На основе исследования поведения КНБК в наклонном и го ризонтальном стволе скважины даны решения по определению дли ны и диаметра УБТ, осевой нагрузки на долото.
167
7.ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ВНАКЛОННОЙ СКВАЖИНЕ С БОЛЬШИМ ОТКЛОНЕНИЕМ
СТВОЛА ОТ ВЕРТИКАЛИ
I 7.1. Оценка величины нагрузки на крюке при подъеме (спуске) бурильного инструмента (обсадной колонны)
внаклонно направленной скважине
Впроцессе строительства обычных наклонно направленных сква жин, пологих (ПС), горизонтальных (ГС), наклонных скважин с боль шим отклонением ствола от вертикали (НСБО) при осуществлении подъема бурильного инструмента, из-за наличия кривизны ствола, возникают силы сопротивления (трения) движению, которые созда ют дополнительные растягивающие нагрузки на бурильные трубы, буровое оборудование, вышку. Величины этих нагрузок, в зависимо сти от конкретных горно-геологических и технико-технологических условий бурения скважины, могут достигать предельных (допусти мых) значений прочности бурильных труб и оборудования, что, в свою очередь, может привести к авариям и осложнениям в скважи не. При спуске бурильного инструмента, обсадных колонн, геофизи ческой аппаратуры и внутрискважинного эксплуатационного обору дования силы сопротивления препятствуют их нормальному прохо ждению по стволу. По этой причине на практике известны случаи недоведения обсадных колонн до глубин их спуска, предусмотрен ных по проекту. В процессе углубления скважины, в условиях, ко гда бурильная колонна, под действием поперечной составляющей ее массы, прижата к нижней стенке ствола, из-за сил трения создаются аварийные ситуации в скважине - затяжки, прихват инструмента. Кроме того, при бурении ПС, ГС, НСБО часть нагрузки, передавае мой на долото, теряется на трение, вследствие чего затрудняются условия оптимизации параметров режима бурения и отработки долота.
Решение проблемы повышения эффективности строительства наклонных скважин, в части прогнозирования и предупреждения ава рий и осложнений, связанных с возникновением сил сопротивления в скважине, сводится к более точному определению нагрузки на крю ке при выполнении различных технологических операций в скважи не и, на этой основе, к разработке технико-технологических меро приятий по уменьшению их отрицательного влияния.
168
Оценке величин сил сопротивления в наклонной скважине по священ ряд исследований [11,41,42,78, 79, 80,81 и др.]. Однако эти работы были выполнены, в основном, для обычных наклонных сква жин, имеющих небольшие значения зенитных углов и число интер валов искривления по сравнению с применяемыми в настоящее вре мя скважинами - ПС, ГС и НСБО. Вместе с тем, эти факторы оказы вают существенное влияние на точность расчетов, вследствие чего имеют место большие расхождения между фактическими и расчет ными значениями нагрузок на крюке. На основании проведенной си стематизации и уточнения расчетных формул разработана обобщен ная методика расчета нагрузки на крюке при подъеме и спуске бу рильного инструмента и спуске обсадной колонны в наклонной сква жине, в том числе с большими отклонениями забоя от вертикали и горизонтальных скважин.
Расчет нагрузки на крюке при выполнении спускоподъемных операций в наклонной скважине производится методом «снизувверх». При этом последовательно находятся растягивающие нагруз ки (усилия), действующие на бурильную колонну в начале самого нижнего интервала профиля Г„, а затем в начале каждого следующе го над ним интервала с учетом нагрузки от веса нижней части колон ны. Поинтервальные расчетные формулы на примере шестиинтервального проектного профиля горизонтальной скважины (табл. 4.2, рис. 7.1) имеют следующий вид:
- на интервале стабилизации кривизны EF, в продуктивном пла сте (горизонтальный ствол), усилие, прикладываемое к бурильной ко
лонне в точке Е - Тб (при подъеме) Т% (ПРИ спуске), определяются
по формулам: при drop = 90°
(7.1)
Т Т = <7б/б (cos drop - psin а гор) = -р^б/б |
(7-2) |
Где р - коэффициент трения между бурильной колонной и стен кой скважины принимаемый равной величине липкости корки бу рового раствора. В расчетах приняты р = 0,35; 0,25; 0,15; q6 - масса 1 п.м. трубы на интервале (бурильной, обсадной), кг/м, /6 = /гор - дли на горизонтального ствола скважины, м. Так как на данном интер-
169
о
Рис. 7.1. Нагрузка на крюке при спуске бурильной колонны
в наклонную скважину с большим отклонением ствола от вертикали
170