Выпускной квалификационной работы: Аналитические исследования технологии бурения скважин с роторными управляемыми системами в

метки: Система, Бурение, Роторный, Управляемый, Скважина, Долото, Перекос, Интенсивность

В настоящее время создание систем разработки нефтяных месторождений с использованием горизонтальных скважин должно являться одним из приоритетных направлений в нефтегазодобывающей отрасли по вовлечению в промышленную разработку трудно извлекаемых запасов нефти и газа. Это связано с увеличением доли месторождений, относящихся к категории трудноизвлекаемых и нерентабельных запасов, содержащих низкопроницаемые и неоднородные пласты и коллекторы, приуроченные к водонефтяным и газонефтяным зонам, нефтяным оторочкам нефтегазовых залежей, залежей с высоковязкой нефтью.

Бурение горизонтальных скважин является одним из перспективных методов интенсификации добычи нефти и газа, что позволяет намного увеличить площадь фильтрации пластового флюида за счет длины горизонтального участка.

На сегодняшний день верхом развития наклонно-направленного бурения являются сложные горизонтальные скважины и скважины с большим отходом от вертикали. Достичь успеха в этой области можно лишь применяя самые передовые технологии.

На настоящий момент, верхом технологии бурения наклоннонаправленных скважин, являются роторные управляемые системы (РУС).

Целями выпускной квалификационной работы на степень бакалавра являются:

• анализ развития технологий направленного бурения
• ознакомление с технологией бурения скважин с роторными управляемыми системами
• анализ применяемых механизмов искривления в роторных управляемых системах
• выведение рекомендаций по выбору роторных управляемых систем
• сравнительный анализ технологий бурения с роторными управляемыми системами и управляемым двигателем

1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ НАПРАВЛЕННОГО

БУРЕНИЯ

Преднамеренное отклонение ствола скважины от вертикали вошло в практику в конце 1920-х гг., когда операторы искали способы зарезать боковые стволы мимо препятствий, бурить наклонные скважины для глушения других скважин и обходить наземные объекты; технологии наклонного бурения применяли даже для предотвращения искривления вертикальных скважин.

Появление возможности бурения наклонно-направленных скважин было отчасти обусловлено развитием роторного бурения и разработкой шарошечных долот. В силу своей конструкции такие долота уходят в сторону при определенных значениях различных параметров пласта или режима бурения, как то: падение или возрастание твердости пласта, скорость вращения, нагрузка на долото и конструкция шарошек. В ряде регионов опытные буровики отметили присущее долоту стремление отклоняться в сторону в некоторой степени предсказуемым образом. По этой причине они нередко пытались несколько увеличить угол наклона скважины, чтобы компенсировать ожидаемый снос между положением скважины на поверхности земли и кругом допуска забоя.

Осложнения в бурении скважин

... их ликвидации больших затрат времени и средств, поэтому буровой персонал должен знать причины возникновения и основные мероприятия по предупреждению и ликвидации аварий и осложнений при бурении скважин Учет аварий Аварии всех видов ...

Также было обнаружено, что изменяя конструкцию роторной забойной компоновки, можно изменить угол наклона бурильной колонны. Изменение места расположения стабилизатора позволило влиять на состояние равновесия забойной компоновки, заставляя ее увеличивать, сохранять или уменьшать угол отклонения ствола от вертикали. Скорость, с которой роторная забойная компоновка наращивает или уменьшает угол, определяется такими переменными как расстояние между стабилизаторами, диаметр и жесткость утяжеленных бурильных труб (УБТ), угол падения пласта, скорость вращения, нагрузка на долото, твердость пласта и тип долота. Способность обеспечить равновесие забойной компоновки с учетом всех этих факторов определяет успех достижения объекта бурения.

Забойная компоновка, в которой наддолотный стабилизатор бурильной колонны располагается под несколькими УБТ, будет стремиться наращивать угол при оказании нагрузки на долото. В такой конфигурации УБТ над стабилизатором будут изгибаться, а наддолотный стабилизатор будет играть роль точки опоры, толкая долото к верхней части скважины. Для уменьшения угла используют другую забойную компоновку. В ней присутствует один или несколько стабилизаторов; УБТ под нижним стабилизатором в забойной компоновке играют роль маятника, что обеспечивает стремление долота к нижней части скважины под действием силы тяжести. После достижения желаемого угла можно использовать другую забойную компоновку для его сохранения. В стабилизированной компоновке имеется несколько стабилизаторов, расположенных равномерно по всей ее длине, которые служат для повышения жесткости компоновки.

Для отклонения скважины от вертикальной траектории применяются и другие механические средства, чаще всего — клиновый отклонитель. Принцип его действия прост: он представляет собой длинный стальной клин, вогнутый с одной стороны, для удержания и направления буровой компоновки. Клиновый отклонитель можно использовать как в открытом, так и в обсаженном стволе. Его спускают на требуемую глубину, ориентируют на желаемый азимут, а затем закрепляют, создавая направляющую для начала отклонения ствола от вертикали .

Ранние методы позволяли в некоторой степени контролировать наклон ствола, однако они практически не давали возможности управлять азимутом. Кроме того, они были малоэффективны, поскольку требовали многочисленных спусков и подъемов оборудования для установки клинового отклонителя или для изменения конфигурации забойной компоновки.

Начало 1960 гг. ознаменовалось существенным прорывом в области наклонно-направленного бурения, когда забойная компоновка с фиксированным углом наклона порядка 0,5° была объединена с забойным двигателем для приведения в действие бурового долота. Гидравлическая энергия бурового раствора превращается в двигателе в механическую, благодаря которой вращается долото. Совмещение двигателя и кривого переводника позволило намного более точно контролировать направление наклона, чем прежние забойные компоновки, одновременно значительно увеличив угол возможного набора кривизны. Первые забойные компоновки имели фиксированный угол наклона, и для его корректировки требовалось извлекать их из скважины.

С помощью таких управляемых двигателей наклон скважины создается следующим образом. Кривой переводник обеспечивает снос долота, необходимый для инициирования и сохранения изменений в направлении его движения. Через три геометрические точки прикосновения — долото, наддолотный стабилизатор бурильной колонны на двигателе и стабилизатор над двигателем — проходит дуга, по которой следует траектория скважины.

Направленное бурение скважин

... скважины на вертикальную плоскость называется профилем, а на горизонтальную - планом. Вертикальная плоскость, проходящая через ось скважины, или касательную к ней, называется апсидальной. При выполаживании скважины происходит увеличение зенитного угла ... физико- механических свойств горных пород и фрезерующей способности долота, ось скважины представляет собой плавную линию близкую к дуге окружности, ...

В некоторых двигателях используется забойная турбина, в других — комбинация винтового ротора и статора для создания двигателя объемного типа (объемного двигателя).

В результате совершенствования базового объемного двигателя с кривым переводником был создан управляемый забойный двигатель. В современных компоновках с управляемыми двигателями все еще используются объемные двигатели, но также имеются управляемые с поверхности кривые переводники. Стандартный управляемый двигатель включает силовой блок, через который закачивают буровой раствор для приведения в движение ротора, вращающего несущий вал и долото. Изгиб, задаваемый с поверхности, можно установить в диапазоне от 0° до 4°, позволяя направить долото под совсем небольшим углом отхода от оси ствола; такое, казалось бы, незначительное отклонение играет определяющую роль в скорости наращивания угла. Значение кривизны ствола, задаваемое в месте изгиба, зависит от его угла, внешнего диаметра и длины двигателя, места расположения стабилизатора и размера УБТ относительно диаметра скважины.

Управляемые двигатели осуществляют бурение в одном из двух режимов: во вращательном и направленном (скользящем).

При вращательном режиме роторный стол или верхний привод буровой установки вращает всю бурильную колонну для передачи усилия на долото. В скользящем режиме бурильная колонна не вращается; вместо этого поток бурового раствора направляется на забойный двигатель для приведения долота в действие. В скользящем режиме вращается только долото, а невращающаяся часть бурильной колонны просто следует за направляющей компоновкой.

Выбор конкретного двигателя зависит от его способности наращивать, сохранять или уменьшать угол в ходе вращательного бурения. Обычная практика предполагает вращательное бурение при малом числе оборотов в минуту, приведение в действие бурильной колонны с поверхности и создание изгиба равномерного во всех направлениях, тем самым формируя прямолинейную траекторию. Измерения наклона и азимута можно получать в режиме реального времени при помощи инструментов инклинометрии в процессе бурения, чтобы сообщать буровику о всех отклонениях от намеченного курса. Для корректировки таких отклонений необходимо перейти с вращательного на скользящий режим для изменения траектории скважины. Для перехода в скользящий режим необходимо остановить вращение бурильной колонны, чтобы буровик мог ориентировать изгиб забойного двигателя (задать угол торца бурильного инструмента) в направлении желаемой траектории. Это непростая задача, принимая во внимание крутящие силы, которые могут заставить бурильную колонну повести себя как сжатая пружина. После учета крутящего момента долота, скручивания и контактного трения бурильной колонны буровик должен с поверхности постепенно поворачивать бурильную колонну с небольшим шагом, используя измерения в процессе бурения для определения направления движения торца бурильного инструмента. Поскольку бурильная колонна может амортизировать крутящий момент на длинных интервалах, может потребоваться совершить несколько вращений на поверхности, чтобы только один раз повернуть снаряд в скважине. После подтверждения надлежащей ориентации торца бурильного инструмента, буровик включает забойный двигатель для начала бурения в заданном направлении. Эту процедуру, возможно, придется повторить несколько раз в ходе бурения, поскольку реактивный крутящий момент, возникающий при продвижении долота в породу, может вызвать изменение ориентации торца бурильного инструмента.

Монтаж буровых установок, строительство скважин (бурение) , ремонт ...

... скважины (процесс бурения, т. е. образование ствола, а также спуск подъем бурильных труб для смены изношенного долота) спуск обсадных колонн и их цементирование, ликвидации осложнений и аварий геофизических работ опробование скважины ...

Каждый режим бурения сопряжен со своими трудностями. При вращательном бурении изгиб буровой компоновки заставляет долото вращаться с отклонением от оси забойной компоновки, из-за чего ствол скважины имеет несколько больший диаметр и спиралевидную канавку. Стенки ствола получаются более шершавыми, что повышает скручивающие и осевые нагрузки на бурильную колонну, а также может вызвать проблемы при спуске в скважину оборудования заканчивания — особенно на длинных горизонтальных участках. Спиралевидная канавка в стволе скважины может также влиять на показания каротажного зонда.

В скользящем режиме недостаток вращения создает другие сложности. Если бурильная колонна прилегает к нижней стороне скважины, буровой раствор движется вокруг трубы неравномерно, что ослабляет способность раствора по отводу выбуренной породы. Это, в свою очередь, может привести к образованию слоя выбуренной породы или накоплению обломков на нижней стороне скважины, что повышает риск прихвата трубы. Скольжение также снижает имеющуюся мощность для вращения долота, что в сочетании с трением скольжения уменьшает скорость проходки и повышает вероятность прихвата под действием перепада давлений. В стволах с большим отходом от вертикали силы трения могут расти до тех пор, пока осевой нагрузки не станет недостаточно для преодоления торможения бурильной колонны о стенки скважины. Это делает дальнейшее бурение невозможным и оставляет ряд объектов бурения вне пределов досягаемости. Кроме того, смена режима бурения со скользящего на роторный и обратно может создавать волнообразные неровности или резкие изгибы ствола, что повышает его извилистость, тем самым увеличивая трение в процессе бурения и спуска обсадной колонны или оборудования заканчивания. Такие волнообразные неровности могут также создавать углубления, где будет собираться раствор или обломки породы, препятствуя притоку флюида после заканчивания скважины. [12]

Некоторые из перечисленных проблем были решены в конце 1990-х гг. с созданием роторной управляемой системы (РУС).

Наиболее важная особенность РУС состоит в том, что она обеспечивает непрерывное вращение бурильной трубы, тем самым исключая необходимость скольжения в ходе наклонно-направленного бурения. Инструменты РУС практически мгновенно реагируют на команды с поверхности, когда буровику необходимо изменить траекторию забоя. На раннем этапе такие системы использовали, главным образом, для бурения скважин с большим отходом от вертикали, в которых возможность протаскивания управляемых двигателей ограничивается трением в стволе скважины. Их применение часто обеспечивало улучшенную скорость проходки и качество ствола скважины по сравнению с прежними системами. Сегодня РУС широко применяют благодаря возможности бурения прямолинейных скважин, промывки ствола и точного контроля параметров бурения.

«Бурение нефтяных и газовых скважин» :«Общие положения о бурении» » Мы с АГНИ

... бурения Распространенные способы вращательного бурения — роторное, тур­бинное и бурение электробуром — предполагают вращение разрушающего породу рабочего инструмента — долота. Разрушенная порода удаляется из скважины ... наземных сооружений; 2) углубление ствола скважины, осуществление которого возможно ... системой трансмиссий. На­грузка на долото создается частью веса бурильных труб. При роторном бурении ...

2 РОТОРНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ СИСТЕМЫ

2.1 Принцип действия роторных управляемых систем

В настоящее время для проходки вертикальных, наклонных и горизонтальных стволов активно применяются rotary steerable system (RSS) – роторные управляемые системы (РУС), в которых разрушение горной породы осуществляется вращением долота с бурильной колонной верхним приводом буровой установки или ротором, а также отклоняющие системы, сочетающие применение винтовых забойных гидродвигателей и РУС. Данные системы являются наиболее совершенными, а в сочетании с системами телеметрии и геонавигации превратились в совершенные беспилотные средства дистанционного управления направлением буримых скважин. Возможности этих систем впечатляют: при высочайших точности (± 0,1º) и оперативности данные системы способны осуществлять бурение скважин любой ориентации в пространстве протяженностью до 13 км непрерывными рейсами, протяженность которых может составлять более 1000 м. Современная отклоняющая система представляет собой беспилотный электронно-механический агрегат, управляемый дистанционно.

На рис. 1 приведена блок-схема современной отклоняющей системы типа РУС

ПрУс К ПР

9 10 11 4 2 1

6 5 3

ТМ ИЭ ЭБ Пр

Рис. 1 Блок-схема забойной отклоняющей системы: 1 – механизм искривления; 2 – привод механизма искривления; 3 – электроный блок управления приводом механизма искривления; 4 – источник электроэнергии (гидротубина или аккумуляторные батареи);

5 – телеметрия; 6 – электронный блок телеметрии; 7 – блок передачи и приема

информации, передавамой с поверхности и к забойной системе; 8 – канал связи

(гидроимпульсный, электромагнитный); 9 – приемное устройство и усилитель сигнала;

10 – компьютер; 11 – прибор для визуального контроля процесса бурения на буровой

Обладая автономным источником электрической энергии (4) подобные отклоняющие системы управляются с поверхности оператором через компьютер (10), который формирует сигнал, передаваемый через буровой раствор или посредством электромагнитного излучения (8) до забойной компоновки, в которой посредством электронного блока (3) и системы привода (2) отклоняющего механизма (1), производится ориентированное в заданном направлении изменение направления скважины. В то же время встроенная система телеметрии (5) ведет постоянный мониторинг угловых параметров бурящейся скважины и посредством электронного блока (6), и системы преобразования сигнала (7) передает информацию на поверхность в блок приемки и усиления сигнала (9), далее в компюьтер (10) и на прибор для визуального контроля процесса бурения на буровой (11) к оператору. В результате такого взаимодействия формируется новое задание для корректировки направления скважины, которое и реализуется с высокой точностью.

Эффективность РУС определяется следующими обстоятельствами:

• улучшается вынос шлама, так как РУС не создает зауженных интервалов ствола скважины;
• повышается скорость проходки, поскольку эффективный вынос шлама препятствует его осаждению, что положительно влияет на процесс разрушения породы;
• повышается скорость бурения и длина горизонтального ствола за счет снижения силы трения между колонной и стенкой скважины вследствие вращения всей колонны;
• сокращается риск механического и дифференциального прихватов, поскольку нет неподвижных элементов РУС, контактирующих с обсадной колонной, отклонителем или стенкой ствола скважины.

Системы РУС позволяют бурить пологие и горизонтальные скважины с плавным профилем из-за отсутствия перегибов ствола (обычных при использовании забойных двигателей) с большей протяженностью за счет снижения сил трения и лучшей очисткой ствола от шлама. Более высокая проходка с постоянным вращением бурильной колонны предотвращает вероятность прихватов бурильного инструмента, сокращает время на очистку ствола от выбуренной породы и дает ряд дополнительных преимуществ по качеству вскрытия продуктивного горизонта. Применение РУС позволяет бурить протяженные – более 10 км горизонтальные стволы, так как бурение с вращением бурильной колонны снижает вероятность зашламования колонны и обеспечивает более высокую способность к проталкиванию колонны по горизонтальному стволу. [1]

Промывка скважин при бурении

... поверхность. Прямая промывка имеет преимущественное применение в практике разведочного бурения. промывка скважина бурение Рисунок 1 - Прямая промывка скважин буровой ... и фонтанирование скважины восстанавливается; Эмульсионные буровые растворы. Эмульсией называется система, состоящая из ... стенок скважины; охлаждение долота, турбобура, электробура и бурильной колонны; смазка трущихся деталей долота, ...

Различают три типа РУС: реализующие механизм фрезерования стенки (push-the-bit), реализующие механизм ассиметричного разрушения забоя вследствие перекоса долота (point-the-bit), а так же РУС совмещающие эти два механизма.

2.2 Принцип работы РУС типа Push the bit

Система «Push the bit» – предполагает набор кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия. В системе с отклонением долота отклоняющая сила на долоте Рот появляется в результате выдвижения лопаток 1, осуществляющих давление на стенку скважины с усилием Рр (рис. 2, рис. 3).

1 2 3 4

Pp H 2Rд 2Ro 2Rд

j

l1 l2

Pот

L

R

Рис. 2. Схема для расчета радиуса искривления РУС с радиальным смещением долота: 1 –

долото; 2 – выдвижные лопатки; 3 – корпус; 4 – верхний стабилизатор; 5 – труба; Dд –

диаметр долота; H – выход лопатки из корпуса; Do – диаметр корпуса; Dц – диаметр

стабилизатора

Рр Рис. 3. Схема роторной управляемой системы с отклонением долота: 1 – выдвижные лопатки; 2 – стабилизатор; 3 – блок управления; 5 – блок 6

отклонения; 4 – долото; 6 – заслонка

5

Рр

Рот

2 3 4

Привод лопаток 1 гидравлический, осуществляемый за счет последовательной подачи бурового раствора в соответствующие гидрокамеры. Для увеличения угла отклонения каждая лопатка 1, проворачиваясь и находясь в нижней части ствола, нажимает на нижнюю сторону ствола, а для уменьшения угла каждая лопатка 1 нажимает на верхнюю часть ствола. Команды, направляемые при помощи телеметрии по гидроимпульсному и электромагнитному каналам связи, определяют время и силу срабатывания башмака 1. Блок управления 3, расположенный над блоком отклонения 5, приводит в действие поворотную заслонку 6, которая закрывает или открывает канал для подачи бурового раствора в камеры с лопатками 1 в соответствии с поворотом бурильной колонны. Система синхронно изменяет интервал воздействия и усилие, с которым лопатка 1 воздействует на стенку скважины, тем самым направляя долото 4 в требуемом направлении. Долото 4 обеспечивает отклонение ствола фрезерованием стенки скважины боковым вооружением. Таким образом, значительная роль в процессе искривления данным типом РУС отводится долоту, которое должно отвечать определенным требованиям.

Геонавигация в бурении скважин. (Лекция 1)

... скважин. 5. Научно-технические семинары 1. Бурение направленной скважины в осложненных геологических условиях. 2. Оптимальная система разработки многопластовой залежи. 3. Бурение «в слепую». 4. Направленная скважина ... торца породоразрушающего инструмента на искривление скважины 1 - долото МЗ-ГВ 2 - долото С-ГН Зависимость интенсивности искривления от величины зенитного угла при бурении долотами ...

В соответствии со схемой на рис 2 радиус кривизны ствола скважины, реализуемый РУС с радиальным смещением долота можно определить из формулы

0,5l1l 2

R , (1)

h

l1 Rд  Rц  где, h  H  Rд  Ro   .

L

Формула (1) получена из условия вписываемости отклонителя в искривленный ствол скважины без деформирования корпуса. Именно поэтому по формуле (1) можно определить минимальной значение радиуса кривизны и соответственно минимальное значение интенсивности искривления ствола при заданных значениях параметров. В то же время в процессе фрезерования стенки скважины значительную роль играет фрезерующая способность долота под действием отклоняющего усилия Рот. В этом случае интенсивность искривления может определяться по формуле (2), а радиус кривизны по зависимости

vб

R , (2)

vф L

из которой следует, что формируемая кривизна существенно зависит от скоростей бурения vб и фрезерования стенки скважины vф. Для удовлетворения требуемым параметрам набора кривизны, радиус кривизны, рассчитанный по формуле (1) может быть получен только при определенных скоростях бурения фрезерования.

Отклоняющая сила, действующая в направлении фрезерования РУС будет зависеть от размеров и давления промывочной жидкости в дроссельноциркуляционной системе отклонителя и может определяться по формуле

Рр l 2  ж S пl2

Pот   , (3)

2L 2L где ρж – давление промывочной жидкости в гидрокамере над выдвижным башмаком, МПа; Sп – площадь выдвижной лопатки со стороны гидрокамеры , м2; L – длина РУС, м; l2 – расстояние от выдвижной лопатки до стабилизатора отклонителя. Расчеты по формуле (1) для РУС с Rд = 147,65 мм, Rо = 122 мм, Rц = 140 мм, l1 = 0, 7 м, l2 = 2,5 м позволяют определить значения радиусов кривизны, которые изменяются от 152 м до 350 м при выдвижении лопатки на расстояние Н = 30–26,75 мм. [1]

2.3. Принцип работы РУС типа «Point the bit»

В РУС реализующих механизм перекоса долота – (point-the-bit) используют внутренний изгиб вала отклонителя для изменения направления скважины. В такой системе точка изгиба вала находится внутри корпуса над долотом. Ориентация изгиба вала контролируется с помощью серводвигателя, который вращается с той же скоростью, что бурильная колонна, но в обратном направлении. Это позволяет сохранить геостационарную ориентацию торца бурового инструмента при вращении колонны.

Радиус искривления скважины для РУС с изменением перекоса долота, при отсутствии деформации корпуса, определяется выражением.

L

R , (4)

2sin   

где β – угол наклона отклонителя к оси скважины, град.

Dд  Dц

Угол β определяют по формуле   arctg .

2l1

Угол γ создается при изгибе вала отклонителя и может определяться по формуле

31   

, (5)



 3l2

a b где Δ – угол отклонения вала при изгибе, град;   ;  .

l2 l2

1 3 5 2 3

Δ

γ Do Dц

Dд а b

l1 l2

L

R

Рис. 4. Схема для расчета радиуса искривления РУС с изменением направления перекоса

долота : 1 – долото; 2 – корпус; 3 – стабилизатор; 4 – труба; 5 – вал отклонителя; Dд – диаметр

долота; Do – диаметр корпуса; Dц – диаметр стабилизатора

Система безопасности бурения газовых скважин

... Цель работы - спроектировать систему безопасности бурение газовых скважин. Для достижения данной цели поставлены следующие задачи: провести анализ опасности технологического процесса; оценить риск возникновения и развития ... трубы. Буровая комплектуется долотами, бурильными трубами, ручным и вспомогательным инструментом, горюче-смазочными материалами, запасом воды, глины и химических реагентов. Кроме ...

Для системы Geopilot, имеющей следующие параметры: a = b = 2, 25 м; l1 = 0,8 м; l2 = 4,5 м; Do = 244 мм, значения радиусов искривления при бурении долотом диаметром 295,3 мм и различных прогибах вала отклонителя приведены в табл. 1.

Таблица 1 — Расчетные данные радиуса искривления РУС Geopilot

Диаметр центратора Dц, 244 280

мм

Прогиб вала Δ, мм 4 5 6 2 3 4 5

Угол перекоса γ 1,75 2,18 2,62 0,87 1,31 1,75 2,18

Радиус искривления R, м – 438 194 475 200 126 93

В системе РУС с изменением направления перекоса или позиционирования долота (point-the-bit) используются механизм управления с эксцентриковой втулкой. [1]

Схема работы устройства данного типа показана на рис. 5.

Эксцентриковая втулка 1 имеет возможность поворота как вокруг собственной оси в направлении η, так и вокруг оси корпуса-статора 2 РУС в направлении τ. Вал-ротор 3 РУС, на котором установлено долото 5, вращается внутри эксцентриковой втулки 1 с частотой ω. Корпус-статор

3 1

τ

η ω

ω

4 3 Δ 4 Δ

3 4 4

7

ω 8

1 1

6 5

а б

4 4

9

5

в

Рис. 5. Схемы работы РУС с позиционированием долота: a – положение системы,

определяющей прямолинейное направление бурения; б, в – положения системы,

определяющей изменение направления бурения; 1 – эксцентриковая втулка; 2 – корпус статор; 3 – вал-ротор; 4 – выдвижные плашки; 5 – долото; 6 – направление искривления

скважины; 7 – схема РУС при прямолинейном бурении; 8, 9 – схемы РУС при изменении

направления бурения

РУС фиксируется в скважине при выдвижении плашек 4. Проворот эксцентриковой втулки 1 осуществляется с помощью сервомеханизма, работа которого управляется электронным блоком по команде от управляющего процессом компьютера. Поворот эксцентриковой втулки 1 приводит к отклонению оси вала-ротора 3 от центральной оси корпуса 2 РУС на величину зазора Δ и долото 5 получает перекос в ту или иную сторону, в зависимости от положения втулки 1 внутри корпуса-статора 2 РУС.

На рис. 5, а дана схема соответствующая случаю бурения без искривления, при котором внутреннее отверстие эксцентриковой втулки 1, вал 3 соосны корпусу 2 РУС (Δ=0), а долото 5 не имеет перекоса.

В иных случаях, проиллюстрированных рис. 4.51, б, в, эксцентриковая втулка 1, проворачиваясь, занимает такую позицию в корпусе РУС, которая обеспечивает изгиб вала 3, перекос долота 5, изменение направления бурения и искривление скважины в направлениях, указанных на схемах (позиция 6).

На рис. 6 приведена иная схема управления изгибом ведущего вала РУС за счет поперечного отклонения симметричной кольцевой втулки. Такой вариант исполнения возможен, но требует иного, несколько более сложного привода системы, которая должна осуществлять поперечное силовое перемещение втулки с валом, что в ограниченных пределах корпуса отклонителя затруднено.

Δ

ω

ω

ν

ν

1

а б

Рис. 6. Схема работы отклоняющего узла и набора кривизны РУС

с позиционированием положения долота: а – положения вала

1 при бурении без отклонения; б – положение вала 1 при

Бурение скважин с винтовыми забойными двигателями

... 127, 106, 95, и 75 мм, оснащенные технологическими элементами и механизмами искривления, сыграли важнейшую роль в становлении и развитии горизонтального бурения в стране. Особенности бурения винтовыми забойными двигателями При спуске двигателя в скважину за 10... ...

изменении направления скважины;

2 – направления искривления скважины 3 ОБЗОР РОТОРНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМ ВЕДУЩИХ КОМПАНИЙ

3.1 Управляемая система DART компании Андергейдж

Управляемая роторная система DART (рисунок 7) (Downhole Adjustable Rotary Tool) представляет собой 100% механический инструмент для бурения скважин по плавным кривым траекториям с постоянной интенсивностью изменения угла. Искривление по принципу трёхточечной стабилизации обеспечивается путём приложения постоянного бокового усилия от несоосного стационарного стабилизатора к долоту.

В процессе бурения направление долота поддерживается невращающимся масс-эксцентриком, который за счёт силы тяжести постоянно находится в подвешенном состоянии. Прекос долота производится при отрыве долота от забоя при выключенных насосах и, в среднем, занимает не более 3 минут.

Механизм

ориентации торца

Сердечник Невращающийся Соосный Несоосный Скребок Долото

масс-эксцентрик стабилизатор стабилизатор

Рисунок 7 – Роторная управляемая система DART

Система DART включает следующие элементы и устройства:

1) сердечник, проходящий сквозь инструмент для передачи крутящего момента и вращения долота; используется как часть механизма изменения ориентации долота;

2) скребок, который является частью сердечника и вращается вместе с ним. Диаметр скребка меньше диаметра долота, и обычно скребок не касается стенок ствола. Он предназначен для удаления всех уступов, образующихся в процессе бурения и способных затруднить продвижение невращающихся стабилизаторов (соосного и несоосного);

3) несоосный (управляющий) стабилизатор – невращающийся, полноразмерный,

мерный, немного смещённый по отношению к оси сердечника. Это смещение создаёт боковое усилие на долото, позволяющее управлять траекторией ствола в трёх измерениях;

4) соосный

оосный стабилизатор – концентрический,

еский, также невращающийся, создаёт даёт третью точку опоры для реализации трёхточечной стабилизации, которая необходима для точного и предсказуемог

предсказуемогоо управления компоновкой с помощью щью системы DART. Также этот стабилиз

стабилизатор

атор принимает на себя вес масс-эксцентрика.

На рисунке 8 показан пример принципа действия системы: несоосный стабилизатор передаёт на долото боковое усилие, ккоторое

оторое направляет торец инструмента струмента на 45 градусов вправо от точки зен

зенита.

ита. Таким образом, бурение осуществляется ществляется именно по этому вектору.

Рисунок 8 – Принцип действия системы

Для изменения перекоса долота выполняют

олняют следующие действия: отрывают вают долото от забоя и прекращают вращения колонны; останавливают насосы; вращают бурильную колонну на количество щелчков ротора, необходимое для установки новой ориентации торца (каждый щелчок ротора смещает вектор бурения

рения вправо на 2,25 град.); прекращаю

прекращают вращение по достижении заданной ориентации торца; запускают насосы и на

начинают циркуляцию с обычным рас

расходом;

• ходом; продолжают бурение скважины.

Если при остановке насосов бурильную колонну не вращают ротором, то перекос долота останется неизменной.

При необходимости ориентации торца по точке зенита выполняют следующее: отрывают от забоя и прекращают вращения колонны; останавливают насосы; вращают колонну на более чем 180 градусов. Каждый щелчок ротора смещает ориентацию торца системы на 2,25 градуса по часовой стрелке. Колонну вращают ротором до тех пор, пока торец не будет направлен на точку зенита. Вращение колонны на более чем 180 градусов гарантированно доведёт ориентацию торца до точки зенита, вне зависимости от первоначальной ориентации. После этого привод механизма ориентации торца отключается, и торец остаётся ориентированным по точке зенита. Дальнейшее вращение колонны не может повлиять на ориентацию торца.

Порядок действий для установки нового вектора бурения после ориентации торца по точке зенита: прекращают вращение ротором; совершают рабочий цикл насосов (т. е. запускают насосы, доводят подачу раствора до обычного для бурения уровня, поддерживают циркуляцию в течение 20 секунд, затем снова останавливают насосы).

Эта процедура вновь включает привод механизма ориентации системы, и дальнейшая ориентация торца производится в обычном режиме посредством вращения колонны на требуемое количество оборотов.

Бурение наклонных участков с применением системы DART производится путём поочередной ориентации торца в противоположных направлениях. Поскольку изменение ориентации торца при помощи системы DART производится легко и быстро, эта процедура не приводит к увеличению времени бурения и позволяет получить прямой ствол скважины.

Технические характеристики системы DART приведены в таблице 2. Таблица 2 – Технические характеристики системы DART

Характеристика Значение Диаметр инструмента, мм 120,6 для бурения скважин 149,2-171,5 мм

8,23, включая наддолотный и первый Длина, м

колонный калибратор

3 /30 м (возможна регулировка под мень Интенсивность набора угла, град./30 м

шую интенсивность) Объём подачи раствора, л/с 9,5-18,9 Внутренний диаметр, мм 28,57 Максимальная температура, С 150 Максимальная осевая нагрузка, кН 13,6 Максимальная скорость вращения, об./мин. 220 Максимально допустимая интенсивность 25 град./30 м (без вращения) искривления, град./30 м

В таблице 3 приведено сравнение результатов бурения двух контрольных стволов скважин диаметром 155,6 мм компоновкой с забойным двигателем и ствола, пробуренного с применением системы DART на Ближнем Востоке. Таблица 3 – Сравнение результатов бурения

Длина по стволу Время Средняя скорость

Проходка, м

от-до, м бурения, ч проходки, м/ч Контрольная скважина, 1747-4303 2556 152,25 16,7 участок 1 Контрольная скважина, 1752-4255 2503 113,75 20,5 участок 2 Секция DART 1727-4220 2493 61,25 40,7

Сравнение результатов бурения двух контрольных стволов диаметром 155,6 мм при помощи управляемых компоновок с забойным двигателем и ствола, пробуренного с применением системы DART, показывает, что скорость проходки увеличена вдвое по сравнению с контрольными скважинами. Все участки пробурены по идентичным породам на одинаковой глубине. Во всех компоновках, включая систему DART, использовались конические шарошечные долота. [12]

3.2 Роторные управляемые системы Geo-Pilot и EZ-Pilot компании Sperry-Sun

В управляемой роторной системе Geo-Pilot (рис. 9) используется управляемый отклонитель, состоящий из цельного вала, расположенного между долотом и верхней частью инструмента.

Рисунок 9 – Управляемая система вращательного бурения Geo-Pilot

Выполненный из нержавеющей высокопрочной стали вал имеет внутренний канал для прохода бурового раствора. Компактный и прочный отклоняющий узел, размещённый внутри не вращающейся верхней части корпуса передаёт контролируемое отклонение на вал через два вращающихся эксцентриковых кольца. Связь с эксцентриковыми кольцами сверху и снизу осуществляется с помощью двух систем привода.

В результате действия одного или обеих систем привода кольца поворачиваются вместе или по отдельности и отводят вал в сторону по осевой линии корпуса, заставляя вал искривляться и ориентировать долото в направлении заданного угла установки отклонителя. Специально сконструированные вращающиеся уплотнения внутри корпуса не позволяют буровому раствору попадать внутрь системы, а смазочной жидкости вытекать наружу.

Секция вала, проходящая через корпус, опирается на верхний подшипник фиксированного конца, подшипник радиальной опоры и нижний плавающий подшипник. Когда эксцентриковые кольца изгибают вал, то вал изгибается между верхним подшипником фиксированного конца, который не даёт валу изгибаться выше себя и нижним плавающим подшипником, который позволяет долоту отклоняться в любом заданном направлении и свободно вращаться. Так как основная нагрузка на долото передаётся через корпус, то благодаря этому вал можно сделать более тонким и управляемым.

Чтобы обеспечить максимальный срок службы и надёжность системы Geo-Pilot, подшипники уплотнения и другие внутренние движущиеся детали погружены в смазочное масло. А так как оборудование работает изолированно от промывочной жидкости, то проблемы совместимости с буровым раствором практически отсутствует.

Расположенный в верхней части компоновки компактный прочный компьютеризированный блок осуществляет контроль за отклонением вала. Это позволяет непрерывно управлять направлением движения долота. Таким образом, в самой скважине становится возможным регулирование направления бурения и желательного темпа набора кривизны.

Усовершенствованные датчики с питанием от долговечной внутренней батареи отслеживают положение долота, скорость вращения колонны и внутренние параметры оборудования.

Типичная компоновка для бурения с системой Geo-Pilot приведена на рисунке 10а.

Система предназначена для использования с алмазным долотом с расширенной калибровочной частью.

Ещё одной разработкой Sperry

Sperry-Sun является

ется система EZ-Pilot. Компоновка

ка с системой EZ

EZ-Pilot приведена на рисунке 10б.

Интерфейс

системы сбора

данных в процессе

бурения (MWD)

Спиральный

стабилизатор

Поправочный

стабилизатор

Невращающийся

кожух

Устройство

для изменения

угла наклона

Корпусное долото

с расширенной

калибровочной

а) частью б)

Рисунок 10 – Роторные управляемые системы компании Sperry-Sun:

Sperry

а – компоновка управляемой системы вращательного бурения Geo

Geo-Pilot;

б – компоновка с РУС компании Sperry-Sun

Система EZ-Pilot – это оборудованный аппаратурой, наддолотный стабилизатор,

лизатор, состоящий из трёх основных элементов, включая эксцентриковую внутреннюю втулку и утяжелённый невраща

невращающийся наружный корпус.

Технические характеристики системы EZ

EZ-Pilot

Pilot приведены в таблице 4. Таблица 4 – Технические характеристики системы EZ-Pilot

Характеристика Система 850 Система 1225 Номинальный наружный диаметр

171 203 инструмента, мм Диаметр ствола скважины, мм 212,7-250,8 304,8-374,7 Максимальный наружный диаметр наружного

205,7 279,4 корпуса, мм Длина, м 3,69 м 3,57 Номинальный вес инструмента

816,4 952,5 (в воздухе), кг Проектная интенсивность искривления при

8 8 зарезке из вертикального участка, град./30 м Максимальная интенсивность искривления

10 10 во время проработки, град/30 м Максимальный крутящий момент на валу,

18,7 66,5 кН*м Интервал скоростей вращения (об./мин.) 30-280 30-280 Максимальная расход (л/с) 88 88 Максимальная нагрузка на долото, кН 200 400 Вибрация Согласно спецификациям LWD Sperry

Совместим с большинством буровых

растворов; успешно используется с

буровыми растворами на водной, Тип бурового раствора

углеводородной основе, синтетической

основе и силикатными буровыми

растворами Максимальное содержание песка, %

3 3 по объёму Номинальная рабочая температура, ° С 150 125 Номинальное рабочее давление, кПа 138 124

Sperry DWD (инклинометрия в процессе Линия связи

бурения)

± 0,1°; интервал ± 0,1°; интервал Точность и интервал изменения зенитного

изменения угла изменения угла угла

0-110° 0-110° Место установки датчика измерения углов

8,54 8,54 (средняя), м Место установки наддолотного датчика

2,29 1,74 ABI™, м Источник питания Литиевые батареи Внутренний диаметр, мм 50,8 50,8

Инструмент работает, контролируя направление эксцентрика внутренней втулки, которая смещает вал и, соответственно, долото в заданном направлении. [9]

Вращение внутренней втулки с целью изменения ориентации торца бурильного инструмента выполняется двигателем постоянного тока со сверхвысоким крутящим моментом, работающего от литиевого аккумулятора.

Расположение наружного корпуса постоянно отслеживается компьютером, и инструмент автоматически поправляет положение эксцентрика внутренней втулки при необходимости сохранения соответствующей ориентации торца бурильного инструмента.

Заданная координата торца бурильного инструмента устанавливается посредством простых команд скорости вращения, направляемых с поверхности в электронный модуль, установленный в инструменте.

С помощью системы EZ-Pilot можно избежать дополнительных расходов, связанных с использованием отдельной системы передачи данных.

Инструментом можно осуществлять бурение в любом заданном направлении или бурить по прямой. Преимуществом системы EZ-Рilot является простота в применении.

3.3 Системы PowerDrive Xtra компании Schlumberger с системой

AutoTrak компании Baker Hughes

Система PowerDrive Xtra компании Schlumberger с системой AutoTrak

компании Baker Hughes представлены на рисунке 15.

Системы используют механизмы автоматической ориентации и управляют траекторией скважины путём фрезерования стенки скважины. В системах расширяющийся, невращающийся стабилизатор обеспечивает статическое боковое усилие, приложенное к стенке скважины, что вызывает противодействующее усилие, приложенное к стабилизатору и долоту. Интенсивность искривления скважины определяется соотношением объёмов бокового резания и бурения в прямом направлении. В обеих системах на уровне долота ось вращения долота всегда расположена под углом по отношению к оси скважины. Величина этого угла определяется геометрией инструмента и радиусом кривизны скважины. [8]

Основные блоки рассматриваемых РУС выделены на рисунке 11.

Интегрированная система MWD замеряет зенитный угол и азимут, величину вибрации, обеспечивает связь с системой на поверхности.

Скважинный компьютер производит сравнение данных, полученных системой контроля MWD с проектными характеристиками траектории, затем передаёт команду на наддолотный блок отклонения для корректировки курса. Передаёт данные на поверхность, получает команды по корректировке курса.

Наддолотный сенсор отклонения следит за отклонением долота. Производит передачу данных забойной системе контроля MWD.

Интегрированная система MWD

Скважинный компьютер

Наддолотный сенсор отклонения

а)

б)

Рисунок 11 – Роторная система AutoTrak: а) основные компоненты системы; б) невращающийся расширяющийся стабилизатор

Использование управляемых роторных систем PowerDrive Xtra для бурения скважин с большими отходами от вертикали позволило компании «Сахалинморнефтегаз» (СМНГ – дочерняя фирма компании «Роснефть») улучшить показатели производительности бурения и качество ствола по сравнению со скважиной, пробуренной по обычной технологии с использованием винтового забойного двигателя.

Бурение скважин производилось с наземной кустовой площадки, расположенной на севере острова Сахалин. В соответствии с техническим заданием горизонтальное смещение точки входа в пласт составляло 4000 м от побережья острова (рис. 12).

При бурении было задействовано 2 типоразмера управляемой роторной системы PowerDrive Xtra диаметром 228,6 мм и 171,5 мм. Скорость бурения при бурении под 311,1 мм колонну повысилась на 41%, при этом время на проработку и калибровку ствола скважины сократилось на 38%.

Рисунок 12 – Профиль скв. №216 компании «Сахалинморнефтегаз»

Использование системы PowerDrive Xtra обеспечило эффективное управление траекторией и высокую степень очистки ствола скважины, а также снижение момента вращения бурильной колонны. Благодаря применению системы PowerDrive Xtra удалось добиться значительного уменьшения числа «затяжек», что в дальнейшем способствовало успешному спуску обсадной колонны. При этом затраты времени на ориентированное бурение с винтовым забойным двигателем были полностью исключены. [12]

Непрерывное вращение бурильной колонны позволило добиться сглаженной траектории скважины.

3.4 Power Drive X5 компании Schlumberger

Роторные управляемые системы Power Drive X5 компании Schlumberger реализуют набор кривизны c отклонением долота (push-the-bit).

РУС Power Drive X5 обеспечивают бурение полностью вращающейся роторной системой для осуществления наклонно-направленного бурения и проходки прямолинейных стволов. При этом конструкция РУС имеет возможность получения данных в режиме реального времени при использовании с телеметрическими системами Power Pulse и Power Scope.

Направление

давления на

лопатку

Направление

1 искривления

Направление

вращения долота

Рис.14. Схема работы клапана:

1 – пластина с отверстиями; 2 – тарелка клапана

Рис. 13. Роторная управляемая система перед

спуском в скважину

Роторные управляемые системы Power Drive X5 позволяют производить в процессе бурения:

• измерение зенитного и азимутального углов в непосредственной близости от долота;
• измерение уровня вибрации и ударной нагрузки КНБК;
• измерение скорости вращения долота;
• измерение гамма-излучения для геонавигации;
• производить режим автоматического поддержания зенитного угла.

Основные характеристики РУС Power Drive X5 приведены в табл. 5.

Таблица 5 — Параметры РУС Power Drive X5 Параметры системы Типоразмер РУС Power Drive X5

475 675 825 900 1100 Диаметр, мм 146,1; 165,1 215,9 – 254 311,2 – 406,4 – 660, 4

250,8 374,4 Длина компоновки, м

4,56 4,11 4,45 4,45 4,6 Расстояние до калибратора (точка 3,05 3,11 4,02 3,65 3,69 контакта) Максимальная интенсивность ис- 8 6,5 6 3 3 кривления, град/30 м

Расход промывочной 813 –1514 813–1514 1817 – 1817 – 7192 1817 – 7192 жидкости, л/мин 7192 Максимальная частота вращени я, мин-1 250 220 220 200 200 Максимальное 137895 137895 137895 137895 137895 давление, кПа

Конструкция клапана во всех отклонителях с отклонением долота аналогична и принцип его работы показан на рис. 18.

3.5 Power Drive Xceed 675 компании Schlumberger

Роторная управляемая система Power Drive Хceed 675 предназначена для направленного бурения и может использоваться для забуривания новых направлений ствола скважины, бурения скважин увеличенного диаметра. РУС Power Drive Хceed 675 дает возможность получения данных в режиме реального времени при использовании с телеметрическими системами Power Pulse и Power Scope. Система позволяет автоматически поддерживать зенитный и азимутальный угол скважины, производить измерение зенитного и азимутального углов в непосредственной близости от долота, измерение скорости вращения долота. Диаметр долота 212,7–250,8 мм. Максимальная интенсивность искривления 8 град/30 м. Расход промывочного раствора 1098 – 3098 л/мин. Максимальная частота вращения 350 мин-1. Длина компоновки 7,62 м. Расстояние до второго стабилизатора 3, 38 м, до первого 0,34 м. Power Drive Хceed 900. Диаметр долота 311, 2 – 444, 5 мм. [8]

Основные характеристики РУС Power Drive Xceed приведены в табл.6.

Таблица 6 — Power Drive Xceed 675 и Power Drive Xceed 900 Характеристики Power Drive Xceed 675 Power Drive Xceed 900 Номинальный наружный диаметр, мм 171,5 228,6 Диаметр ствола, мм 212,7–250,8 311,2–444,5 Максимальный наружный диаметр корпуса 193,7 248,92 (муфта), мм Минимальный внутренний диаметр (муфта), мм 99,9 133,4 Максимальная высадка наружу, мм 193,7 248,9 Крутящий момент на верхнем резьбовом соединении при пределе текучести, Н·м 31184 – 35251 56944 – 62368 Крутящий момент на нижнем резьбовом соединении при пределе текучести, Н·м 17626 – 20337 37963 – 43386 Максимальная интенсивность кривизны, °/30 м — при вращении — без вращения 8 6,5

15 12 Максимальная нагрузка на долото, Н 244652 366617 Максимальная рабочая частота вращения, мин-1 350 Максимальный рабочий крутящий момент, Н·м

27116 47454 Максимальная рабочая растягивающая нагрузка, Н 226800 340190 Максимальная ударная нагрузка, кН 4535,92 Макс. вибрационная нагрузка, g/Гц 250 Максимальное рабочее давление, кПа 137900 137900 Максимальная рабочая температура, °С 150 Подача турбин, л/мин 1098 – 1552 1703 – 2839

1363 – 2158 2271 – 4542

1798 – 3028 3407 – 6814 Максимальное содержание песка в буровом растворе, % 2 Немагнитный переходник да Магнитная проницаемость переходника незначительна Силовой модуль турбогенератор вырабатывает электроэнергию

для питания системы управления и

направляющей секции Система управления блок электроники и датчиков проводит

измерения для контроля направляющей секции Направляющая секция непрерывно ориентирует наклонный

шпиндель долота для контроля направления

бурения и интенсивности кривизны ствола

скважины

4 АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ИСКРИВЛЕНИЯ ПРИМЕНЯЕМЫХ В РОТОРНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМАХ

4.1 Анализ механизма искривления основанного на асимметричном разрушении забоя, вследствие перекоса породоразрушающего инструмента

На механизме искривления основанного на асимметричном разрушении забоя, вследствие перекоса породоразрушающего инструмента основаны роторные управляемые системы типа «Point the bit». Проанализируем данный механизм искривления.

Интенсивность набора кривизны асимметричного разрушения забоя (рис. 7) определяется зависимостью:

57,3( Dс  d к )

ia  , (6)

l2 где Dс, dк – диаметры скважины и корпуса РУС в месте контакта со стенкой скважины при перекосе, м; l – расстояние от забоя до точки контакта корпуса ОНД со стенкой скважины при перекосе нижней части отклонителя, м; Рр – распорное усилие, Н; γ – угол перекоса породоразрушающего инструмента, град.

Рр

l

γ

Рис. 15. Схема наборакривизны РУС асимметричного разрушения забоя (Point the bit)

1 – Породоразрушающий инструмент, 2 – Корпус РУС

Из формулы (6) и схемы на рис. 15 следует, что интенсивность искривления скважины задается конструктивными размерами РУС и диаметром скважины, а отклоняющая сила на породоразрушающем инструменте отсутствует. [1]

В результате конструкции РУС, реализующие процесс асимметричного разрушения забоя, менее нагружены и деформированы, а потому достаточно просты по конструкции и в работе достаточно надежны, 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.Лучшее использование энергетических параметров забойных двигателей за счет максимальной передачи развиваемых ими мощности и врашающего 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

= т

, (7)

т

где Lт – длина забойного двигателя с долотом, м; m – коэффициент уширения ствола (m=Dc/D, Dc – диаметр скважины, м); D, dт – диаметры соответственно долота и забойного двигателя, м; f – прогиб забойного двигателя, м. [1]

Из формул (6) и (7) 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.

4.2 Анализ механизма искривления основанного на фрезеровании стенки скважины

На механизме искривления реализуемого за счет фрезерования стенки скважины основана роторные управляемая системы типа «Push the bit». Проведем анализ данного механизма.

Интенсивность искривления, реализуемая отклонителем фрезерующего типа, может определяться следующей аналитической зависимостью:

57 ,3vф

iф  , (8)

vб Lж

где vф, vб – скорости фрезерования стенки скважины под действием отклоняющего усилия и углубления забоя, м/ч; Lж – длина жесткой базы отклонителя, м. [1]

На рис. 16 приведены схемы, поясняющие процесс набора кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия Ротк. При этом условием идеальной реализации данного вида искривления будет равенство нулю угла перекоса оси породоразрушающего инструмента по отношению к оси скважины.

Рв

Рв

Lж

Рр Рр

Р v

Рос

РR vб

vр

Рис.16 Схемы, поясняющие процесс набора кривизны

фрезерованием стенки скважины под действием

отклоняющего усилия Ротк

1 – породоразрушающий инструмент; 2 – корпус ОНД

Преимуществом 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 (8) 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.

Соотношения скоростей vф и vб в процессе набора кривизны фрезерованием с интенсивностью 0,5; 1,0; 1,5 и 2º 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 др. 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 др. случаях невозможно обойтись без фрезерования стенки скважины.

4.3 Анализ механизма искривления совмещающего перекос долота и фрезерование стенки

Гибридный механизм искривления послужил основой для роторной управляемой системы гибридного типа. Проведем анализ данного механизма искривления.

Рр

Рр

Ротк

vф

γ γ

vб

РR Рос vр

Рис. 17 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 отклонителей, реализующих совместное фрезерование и асимметричное разрушение забоя при несовпадающих по направлению действия процессов, интенсивность искривления может определяться по зависимости

vф D  dк

iфа  57,3(  c ).

(9)

vб Lж l2

В соответствии со схемой на рис. 17 отклоняющая сила является результатом прогиба вала-ротора отклонителя, что приводит к перекосу долота на забое в сторону, противоположную направлению фрезерования стенки скважины.

На рис. 17 представлена схема, поясняющая процесс искривления под действием отклоняющей силы Ротк и перекоса породоразрушающего инструмента 1.

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.

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.

Отклоняющая сила Ротк, за счет деформации бурильных труб, расположенных над кривым переводником, может быть определена по формуле (10)

2 EJ т

Pотк  sin 2 ( п  γ т ) , (10)

3al где EJт — жесткость бурильных труб, размещенных над турбобуром, да Н·м2; a – смещение бурильных труб при их деформации в стволе скважины, м; Δп и γт – углы перекоса соответственно осей резьбовых соединений кривого переходника и турбобура в скважине, град; l – длина турбобура с долотом, м.

d т  dб

a  Dд  , (11) где Dд, dт, dб – диаметры соответственно долота, турбобура и бурильных труб, м;

Угол γ определяется размерами турбобура:

Dд  d т

т  . (12)

lт

Как следует из формулы (10), 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. [1]

5 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ОТКЛОНИТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРИ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОМ БУРЕНИИ

В последнее время наибольшее распространение получили две системы наклонно-направленного бурения. Это системы с управляемым двигателем и роторные управляемые системы. Стоит отметить, что системы с управляемым двигателем используются с 1960-х гг, а роторные управляемые системы появились относительно недавно, а именно в конце 1990-х гг.

В данном разделе выделены основные критерии сравнения систем с управляемым двигателем и роторных управляемых систем на примере нескольких скважин.

Исходя из практики бурения наклонно-направленных скважин, можно выделить следующие основные критерии выбора систем бурения:

•  механическая скорость проходки;

 реализация искривления в соответствии с проектом

 качество ствола скважины;

 эффективная длина горизонтальной секции;

 безаварийность проходки;

 стоимость оборудования.

На большинстве скважин, где применялись роторные управляемые системы, отмечают увеличение механической скорости бурения по сравнению с забойным двигателем. Так, например, специалисты департамента буровых работ ОАО «Верхнечонскнефтегаз» и департамента по геологии и разработке месторождений компании Schlumberger приводят следующие данные для Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения: средняя механическая скорость проходки с использованием РУС на четырех скважинах составила 16 м/ч (рекорд – 21,85 м/ч), что вдвое выше, чем при использовании винтовых забойных двигателей (ВЗД).

Это позволило сократить цикл бурения горизонтальных секций на три дня – до 3,62 суток. Иными словами, на бурение 100 м с использованием РУС требуется вдвое меньше времени – 0,65 суток вместо 1,39 суток .

Также можно привести пример работы компании Ultra Petroleum на месторождении Марселлус. В 2010 году компания приступила к реализации ускоренной программы бурения. Компания пробурила первую (контрольную) скважину на месторождении Марселлус с использованием управляемого объемного двигателя. Следующие 10 скважин были пробурены при помощи РУС PowerDrive Archer. В некоторых из них боковой ствол зарезали долгим поворотом на азимут 90° или более для выхода на уровень целевого горизонта при одновременном наращивании угла со скоростью до 8°/30 м. Возникновение геологических неопределенностей возле точки входа в пласт иногда требовало принятия корректирующих мер, например, часто было нужно увеличить темп набора кривизны. В результате, скважины, пробуренные с применением РУС, обеспечили существенную экономию времени бурения. Кроме того, за счет качественно пробуренного ствола, все колонны заканчивания были спущены без происшествий. Гибридная РУС также позволила глубже проникнуть в целевой объект, что привело к повышению дебитов добычи более чем вдвое. [11]

При оценке механической скорости бурения также следует учитывать увеличение длины горизонтальной секции, обеспечиваемое применением РУС. Так, на упомянутом месторождении Марселлус, скорость набора кривизны составила 8°/30 м, что, по данным компании Ultra Petroleum, позволило оператору увеличить скорость проходки на 80% но сравнению со скважинами, пробуренными ранее при помощи объемных двигателей. После бурения гладкого ствола на всем изогнутом участке оператор смог перейти на РУС PowerDrive Х5, которая пробурила боковой ствол длиной 1385 м на проектную глубину всего за один проход. Высокая скорость проходки изогнутого интервала в сочетании с высокой скоростью набора кривизны и гладкостью пробуренного бокового ствола позволил сократить время бурения на 10 дней.

Рис.17 — График «глубина-день» для секции диаметром 152,4 мм (без времени на спуско подъемные операции), по данным ОАО «Верхнечонскнефтегаз» для Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения

Другим немаловажным показателем является качество ствола скважины. Бурение управляемым двигателем характеризуется низким качеством ствола, волнообразными неровностями и резкими изгибами, при этом они являются практически неустранимыми недостатками метода. Причиной этого является «скользящий» режим бурения. В этом режиме вращается только долото, а бурильная колонна просто следует за направляющей компоновкой. Основные сложности в этом случае вызваны недостатком вращения колонны труб. В процессе проходки бурильная колонна скользит по лежачей стенке скважины, промывочная жидкость движется вокруг нее неравномерно, что уменьшает выносящую способность раствора и способствует повышению риска прихвата колонны. Кроме того, повышается риск желобообразования и прихвата колонны. На рисунке 18 представлены изображения, полученные с помощью каверномера. Они показывают, при бурении с использованием объемного двигателя получается ствол скважины со спиралевидной канавкой (вверху на рис. 18), в то время как роторная управляемая система создает намного более гладкий ствол. Происходит это вследствие того, что в процессе бурения роторной управляемой системой колонна вращается постоянно, что способствует качественной промывке ствола а долото направленно соосно с направлением бурения скважины.

Рис.18 — Сравнение качества ствола скважины, построенного по данным каверномера: сверху – забойный двигатель с кривым переводником, снизу – роторная управляемая система

Что касается эффективной длины горизонтальной секции, то здесь также отмечено преимущество РУС, как в отечественном опыте бурения, так и за рубежом. Специалисты Департамента буровых работ ОАО «Верхнечонскнефтегаз» и Департамента по геологии и разработке месторождений компании Schlumberger приводят следующие данные: применение РУС позволило эффективнее пробурить скважину и размещать ее в самых продуктивных зонах пласта. При этом эффективная длина горизонтальной секции увеличилась до 70 %, в то время как на скважинах, пробуренных с использованием ВЗД, этот показатель составляет всего 30%. В результате, дебиты скважин увеличились вдвое – до 200-250 т в сутки.

На рисунке 3 представлена трехмерная траектория скважины, пробуренной на месторождении сланцевого газа Марселлус. В этой скважине оператор использовал РУС PowerDrive Archer для отхода забоя от вертикали, бурения трехмерной дуги с изменением азимута более чем на 100° и последующего бурения наклонного участка. Неопределенность геологической модели заставила оператора изменить место вскрытия пласта более чем на 21 м. После определения местоположения геологического маркирующего горизонта система РУС быстро увеличила угол до 16°/30 м для достижения целевого объекта, после чего оператор переключился на интенсивность набора кривизны 2° для плавной проводки скважины в пласт-коллектор.

Рис. 19 — Трехмерная траектория скважин

Безаварийность проходки является тем критерием, по которому сложно сделать определенные выводы. Причина аварии, в том числе с потерей инструмента, может быть не связана прямо с типом применяемого забойного оборудования. Тем не менее, исходя из условий применения забойного двигателя, можно сделать вывод о несколько большей опасности аварии. Это связано, в первую очередь, с уже упомянутым «скользящим» режимом бурения. Основной опасностью здесь является желобообразование и неравномерное движение промывочной жидкости вокруг колонны, что способствует возникновению прихвата.

Стоимостной критерий является наиболее существенным препятствием широкому внедрению роторных управляемых систем. Так, если РУС будет потеряна в скважине во время бурения, стоимость замены данного оборудования может превысить $1 млн. А замена ВЗД обойдется примерно в $200 тыс.

6 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ РОТОРНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ЗАДАЧ НА ОСНОВАНИИ ТИПА РЕАЛИЗУЕМОГО МЕХАНИЗМА ИСКРИВЛЕНИЯ

Роторные управляемые системы подразделяются по типу реализуемого механизма искривления на три группы: механизм ассиметричного разрушения забоя вследствие перекоса долота, механизм фрезерования стенки и механизм совместного фрезерования и перекоса долота (гибридные).

В главе 4 был проведен анализ каждого из механизмов, из проведенного анализа можно сделать вывод, что каждый из этих механизмов имеет плюсы и минусы.

Более того, необходимо определить наиболее рациональную область решаемых задач для каждого из рассмотренных механизмов искривления.

Исходя из полученных данных можно сделать рекомендации по выбору роторной управляемой системы для конкретно поставленной задачи.

6.1 Роторные управляемые системы, рекомендуемые для забуривания боковых стволов.

Забуривание боковых стволов — это эффективная технология, позволяющая увеличить добычу нефти на старых месторождениях и коэффициент извлечения нефти из пластов, вернуть в эксплуатацию нефтяные скважины, которые не могли быть возвращены в действующий фонд другими методами.

Для забуривания дополнительных стволов с искусственных забоев целесообразно применить роторную управляемую систему реализующую механизм фрезерования стенки, в силу высокой интенсивности набора кривизны осуществляемого данным механизмом.

Ярким примером подобной системы является Power Drive Xtra от компании Schlumberger. Обзор данной системы был проведен ранее, в пункте 3.3.

6.2 Роторные управляемые системы, рекомендуемые для набора кривизны

При переходе из вертикального участка скважины в горизонтальный, или при переходе из наклонного ствола в горизонтальный существует необходимость осуществить значительный набор кривизны в пределах определенного, локального участка скважины.

Для решения этой задачи оптимальным выбором является роторная управляемая система реализующая механизм набора кривизны за счет фрезерования стенки, так как такая система позволяет осуществить набор кривизны с высокой интенсивностью.

Ярким примером подобной системы является система AutoTrak от компании Baker Hughes. Обзор данной системы был проведен ранее, в пункте 3.3.

Если же стоит задача плавного и контролируемого набора кривизны, то наилучшим выбором станет система реализующая механизм ассиметричного разрушения горной породы вследствие перекоса долота. Образцом такой системы является система Geo-Pilot от компании SperrySun, рассмотренная ранее в пункте 3.2. Обосновать данный выбор можно тем, что системы реализующие перекос долота являются более контролируемыми, так как отсутствует зависимость от скорости фрезерования и механической скорости бурения.

6.3 Роторные управляемые системы, рекомендуемые для бурения горизонтальных участков скважины

При проводке горизонтального участка скважины необходима точность и контролируемость бурения. Также, в силу того, что бурение горизонтального участка производится как правило по коллектору, необходима возможность бурить быстро. Известно, что коллектор является достаточно хрупким материалом и скорость бурения может достигать 2040 м/ч. Из этого можно сделать вывод, что для бурения горизонтальных участков не эффективным является использование роторных управляемых систем реализующих механизм фрезерования стенки, так как для этого механизма существует прямая связь между скоростью бурения и интенсивностью набора кривизны. Чем выше скорость, тем ниже интенсивность. Таким образом при бурении горизонтального участка с высокой скоростью РУСы реализующие механизм фрезерования стенки будут неэффективны.

Роторные управляемые системы реализующие механизм ассиметричного разрушения горной породы вследствие перекоса долота, напротив, будут являтся оптимальным выбором в данной ситуации. В того, что отсутствует зависимость от механической скорости бурения, есть возможность бурить быстро, что повышает эффективность процесса бурения.

Ярким примером подобной системы является система EZ-Pilot от компании Sperry-Sun, рассмотренная в пункте 3.2 и, неупомянутая раннее, инновационная система Revolution от компании Weatherford .

6.4 Роторные управляемые системы, рекомендуемые для поддержания вертикальности ствола скважины

Технологии направленного бурения применяются не только для осуществления набора кривизны или для бурения вертикальных скважин. Так же потребность в них существует и для бурения вертикальных стволов. Так роторные управляемые системы активно применяются для поддержания вертикальности ствола в процессе бурения. В таой ситуации необходимо применение силового варианта, которые предоставляют РУСы реализующие механизм фрезерования стенки. Примером такой роторной управляемой системы является упомянутая в пункте 3.5 система Power Drive Xceed от компании Schlumberger и, неупомянутая раннее, система Power V от компании Schlumberger.

Итоги данного анализа приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Рекомендации по выбору роторных управляемых систем для различных задач на основании типа реализуемого механизма искривления Реализуемый Решаемые задачи механизм Забуривание Плавный Резкий Бурение Поддержание искривления боковых набор набор горизонтальных вертикальности

стволов кривизны кривизны участков ствола Фрезерование + стенки + + (Power Drive

(PowerDrive (AutoTrack Xceed от

Xtra от от Baker Schlumberger,

Schlumberger) Hughes) Power V от

Schlumberger) Ассиметричное

+ + разрушение

(Geo- (EZ-Pilot от забоя

Pilot от Sperry-Sun, вследствие

Sperry- Revolution от перекоса

Sun) Weatherford) долота Механизм совместного фрезерования

+ стенки и

(PowerDrive Archer от Shlumberger) перекоса долота (гибридный)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате аналитических исследований, представленных в данной работе, можно сделать вывод, что технология бурения скважин с роторными управляемыми системами имеет массу преимуществ перед остальными существующими технологиями направленного бурения, что было показано на примере бурения конкретных скважин в сравнении с бурением с применением других современных отклонителей. Так, при бурении с применением роторной управляемой системе механическая скорость бурении возрастает в среднем в 2 раза, по сравнению с бурением винтовым забойным двигателем, что обеспечивает существенную экономию времени бурения. Эффективная длинна горизонтальной секции увеличилась на 40%, что в свою очередь позволило увеличить дебит скважин более чем вдвое. Так же было установлено, что в сравнении с забойным двигателем, роторная управляемая система позволяет бурить более гладкий ствол, что снижает риск аварийности.

Была установлена зависимость между типом реализуемого механизма искривления и наиболее рациональной областью его применения. На основании аналитического исследования механизмов искривления реализуемых роторными управляемыми системами, были составлены рекомендации по выбору роторных управляемых систем, для различных задач, встречающихся в области направленного бурения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/bakalavrskaya/rotornyie-upravlyaemyie-sistemyi-v-burenii/

1. Нескоромных, В. В. Бурение наклонных, горизонтальных и многозабойных скважин: рукопись / В.В. Нескоромных. – Красноярск

2. Нескоромных, В.В. Направленное бурение и основы кернометрии: учебник / В.В. Нескоромных. – Москва : ИНФРА-М, 2015.

3. Нескоромных, В.В. Методологические и правовые основы инженерного творчества : учебное пособие / В.В. Нескоромных, В.П. Рожков – Москва : ИНФРА-М, 2015.

4. Шевченко И. А. Развитие технологии управляемого роторного бурения при строительстве скважин с субгоризонтальным профилем [Текст] // Технические науки в России и за рубежом: материалы III междунар. науч. конф. (г. Москва, июль 2014 г.).

— М.: Буки-Веди, 2014.

5. Акбулатов Т.О. Роторные управляемые системы : учебное пособие / Т.О. Акбулатов, Р.А. Хасанов, Л.М. Левинсон – Уфа : УГНТУ, 2006.

6. Хасанов Р.А. Роторные управляемые системы. Преимущества и недостатки : материалы научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых №55, 2004.

7. Официальный сайт компании «Weatherford»: www.weatherford.ru

8. Официальный сайт компании «Schlumberger»: www.slb.ru

9. Официальный сайт компании «Halliburton» : www.halliburton.ru

10. Официальный сайт компании «BakerHughes»: www.bakerhoghes.com

11. Новосельцев Д.И. Проблемы и перспективы бурения инженерно-геологических, гидрогеологических и эксплуатационных скважин: учебное пособие / Д.И. Новосельцев, А.В. Епихин – Томск 2014.

12. Кейн С.А. Современные технические средства управления траекторией наклонно направленных скважин: учебное пособие / С.А. Кейн – Ухта : УГТУ, 2014.