11. Способ управления и ориентирования забойной компановки при бурении скважин с применением колонны гибких труб

Эффективность процесса бурения и качество строительства на­клонных и горизонтальных скважин во многом определяются возмож­ностью оперативного управления режимом работы и ориентирования забойного оборудования в целях поддержания оптимальных параметров режима бурения и проводки скважины по заданной траектории.

Особенно важное значение приобретает этот вопрос при бурении скважин с использованием колонны непрерывных труб, наматываемых на барабан, в связи с их существенно меньшей крутильной жесткостью и невозможностью вращения колонны, что приводит к значительным трудностям при установке заданного угла отклонителя и его стабилиза­ции в процессе бурения.

Указанные особенности использования колонны гибких труб (КГТ) приводят к необходимости обеспечения и поддержания более вы­сокого уровня точности таких параметров режима бурения, как осевая

157

нагрузка на долото и расход промывочной жидкости, а также их согла­сованного регулирования.

Как показавают расчеты и практика бурения скважин, под дейст­вием реактивного момента забойного двигателя происходит закручива­ние бурильной колонны, которое при гибких трубах может достигать нескольких оборотов, что затрудняет начальную установку заданного угла отклонителя и тем более его поддержание в процессе бурения.

Реактивный крутящий момент зависит от осевой нагрузки на до­лото, создаваемой, как правило, преимущественно частью веса буриль­ной колонны и частично осевой гидравлической силой забойного гид­родвигателя, пропорциональной перепаду давления на нем и, соот­ветственно, зависящей от расхода промывочной жидкости.

Сравнительно небольшие изменения осевой нагрузки приводят к существенным изменениям угла закручивания колонны и, соответст­венно, положения отклонителя. Так, например, при бурении скважины с длиной ствола 3000 м трубами 0 60,3 мм в породах средней твердости изменение осевой нагрузки на 1 кН приводит к повороту корпуса за­бойного двигателя на 60°.

Традиционный способ управления режимом бурения путем регу­лирования осевой нагрузки на долото подачей верхнего конца буриль­ной колонны по показаниям наземного индикатора веса при проводке наклонных и горизонтальных скважин не обеспечивает требуемой точ­ности из-за влияния не поддающихся детальному расчету переменных фрикционных сил, действующих на бурильную колонну.

На наклонных и горизонтальных участках скважины (а при гиб­ких трубах из-за отсутствия в компоновке УБТ и на значительной части вертикального участка) бурильная колонна подвержена одновре­менному действию продольных сжимающих, поперечных и изгибаю­щих нагрузок, а также крутящих моментов, под воздействием которых она теряет свою устойчивость и приобретает сложную пространст­венную форму, ограниченную стенками скважины. Ее физической мо-j делью является пружина с переменными характеристиками, нагружен­ная помимо осевого усилия распределенными по ее длине различными по величине силами трения колонны о стенки скважины. Создание на­грузки на долото осуществляется через нагружение такой «пружины», причем процесс передачи нагрузки происходит с запаздыванием, и его характер зависит от динамического состояния колонны, обусловленно­го ее продольными и крутильными колебаниями, вызванными поверх­ностными (периодическая подача верхнего конца колонны) и скважин-ными (изменение реакции забоя и стенок скважины) возмущениями.

В результате фактическая осевая нагрузка на долото в процессе бурения непрерывно изменяется, имея неупорядоченный скачкообраз­ный характер.

158

При бурении искривленных участков скважины момент сил со­противления на долоте складывается из двух составляющих: осевой -от момента сил, возникающих при разрушении забоя под действием осевой нагрузки, и радиальной - от момента сил фрезерования стенки скважины вследствие действия отклоняющей силы, определяемой мо­ментом упругих сил в сечении изгиба кривого переводника.

При оценке крутильных нагрузок забойного двигателя и колонны труб по наземному индикатору веса радиальный момент не учитывает­ся, что приводит к погрешностям в определении угла поворота колонны и перегрузке забойного двигателя.

Следует также отметить, что при данном способе управления ре­жимом бурения винтовыми забойными двигателями (ВЗД) не учитыва­ется увеличение гидравлической осевой нагрузки при переходе от холо­стого режима работы гидродвигателя к рабочему, что также приводит к перегрузке долота и двигателя.

Практика проводки наклонных и горизонтальных скважин показы­вает, что при управлении режимом бурения традиционным способом на-гружение долота выполняется бурильщиком либо на основе собственного опыта и интуиции, либо по изменению механической скорости проходки.

Наряду с традиционными имеются альтернативные способы кон­троля и управления режимом бурения, например путем измерения час­тоты вращения забойного гидродвигателя с помощью забойного гид-ротурботахометра; или по частоте пульсации давления, пропорцио­нальной скорости гидромашины; или по вибросостоянию верхнего конца бурильной колонны. Эти способы базируются на взаимосвязи нагрузки на долото, крутящего момента и частоты вращения гидро­двигателя. Наряду с частными каждый из этих способов имеет общий основной недостаток - трудность выделения из общего спектра коле­баний полезного сигнала, несущего информацию о режиме работы гидродвигателя и долота.

При бурении гидродвигателями с переменным перепадом давле­ния, зависящим от крутящего момента (турбобуры типа А и ВЗД), ши­рокое распространение получил способ контроля режима бурения по давлению нагнетания бурового насоса. Однако реализация данного спо­соба затруднена колебаниями расхода и давления в гидравлической ли­нии. Кроме того, для осуществления этого и перечисленных выше аль­тернативных способов необходима информация об истинных характе­ристиках гидродвигателя (в случае ВЗД с учетом износа рабочих орга­нов и опорных элементов).

Одним из направлений технического прогресса в области бурения является создание забойных систем телеметрического контроля пара­метров проводки скважин (MWD). В системах MWD используются раз­личные схемы с проводными и беспроводными (гидравлическими, аку­стическими, электромагнитными) каналами связи с забоем скважины.

159

Измеряемые забойные параметры можно разделить на три груп­пы: траектории ствола скважины, геологические, режима бурения (рас­ход жидкости, крутящий момент, осевая нагрузка на долото).

Измерение осевой нагрузки и крутящего момента выполняется с помощью тензодатчиков, устанавливаемых в немагнитном патрубке над гидродвигателем.

В этом случае управление только по осевой нагрузке также может привести к перегрузкам ВЗД по причинам, указанным выше для тради­ционного способа управления.

При применении систем MWD основными параметрами управле­ния могут служить либо крутящий момент, по которому можно одно­значно определить угол закручивания колонны, либо непосредственно угол положения отклонителя.

Для обеспечения оперативности управления и возможности авто­матизации процесса предпочтение следует отдать телесистемам с про­водной связью с забоем, так как в других случаях информация о пара­метрах управления поступает с забоя периодически, чередуясь с другой информацией.

Но даже при наличии такой системы без решения проблемы точной установки и стабильности ориентирования отклонителя в процессе буре­ния получить качественную траекторию ствола скважины практически невозможно. Регулированием подачи верхнего конца гибкой колонны, как следует из вышеизложенного, эта проблема непреодолима.

Анализ возможных вариантов показывает, что имеются два на­правления в решении этой задачи:

- создание устройств для установки и регулирования не­ посредственно угла положения отклонителя;

- разработка альтернативных способов и устройств нагружения долота, обеспечивающих более точную регулировку осевой нагрузки.

К числу устройств первого направления следует отнести приме­няемые в зарубежной практике, ориентирующие секционные перевод­ники, нижняя секция которых при изменении давления в колонне про­ворачивает забойную компоновку на определенный угол. Однако в слу­чае использования КГТ это устройство неэффективно из-за неопера­тивности и дискретности (шаг 20°) регулирования угла установки от­клонителя.

Среди отечественных разработок следует отметить децентратор забойного двигателя. Это устройство, устанавливаемое на шпиндельной секции забойного двигателя, обеспечивает установку забойной компо­новки и бурение скважины в заданном направлении независимо от за­кручивания бурильной колонны. Но для установки и корректировки уг­ла отклонителя необходимо вращение бурильной колонны, что не при­емлемо для гибких труб, намотанных на барабан.

Одним из наиболее эффективных решений в данном направлении является оперативное управление забойной компоновкой либо по спе­циальным гидроканалам (трубопроводам), подведенным к компоновке с

160

поверхности через внутреннюю полость гибких труб (Fracmaster, Ltd.), либо с помощью электродвигателя, установленного непосредственно над ВЗД. питающегося от электрокабеля, протянутого с поверхности через КГТ (система VIPER, SCHLUMBERGER).

Можно предположить, что техническая реализация подобных спо­собов весьма сложна и дорогостояща.

К альтернативному способу нагружения долота, обеспечивающему более тонкое регулирование осевой нагрузки за счет изменения расхода промывочной жидкости, можно отнести использование для этой цели осевой гидравлической силы забойного гидродвигателя. В России в ОАО НПО «Буровая техника» ВНИИБТ разработана специальная модифика­ция безопорного ВЗД с подвижным в процессе бурения ротором, обес­печивающая передачу на долото полной гидравлической силы.

Известны также различные гидравлические забойные механизмы подачи долота, использующие для создания и изменения нагрузки на долото регулирование расхода промывочной жидкости.

Но этот способ, удовлетворяя при наличии регулируемой подачи буровых насосов требованиям по точности установки нагрузки на доло­то, в большинстве случаев не обеспечивает необходимого уровня и диа­пазона регулирования нагрузки из-за относительно узких допустимых пределов изменения расхода промывочной жидкости, обеспечивающих приемлемые режимы работы ВЗД и промывки скважины.

С учетом вышеизложенного, наиболее целесообразным при бурении с использованием гибких труб следует считать комбинированный гидро­механический двухконтурный способ управления режимом проводки скважин путем регулирования скорости подачи бурильной колонны и рас­хода бурового раствора. В этом случае возможна организация управления осевой нагрузкой в широком диапазоне и с необходимой точностью: «гру­бо» - регулированием подачи верхнего конца бурильной колонны; «точ­но» - регулированием расхода промывочной жидкости.

Однако реализация этого способа по схеме представляется за­труднительной вследствие разомкнутости указанных двух контуров управления, так как при этом не обеспечивается их согласованность. В этой связи перспективным является создание систем согласованного уп­равления основными агрегатами буровой установки, целесообразность которых подтверждается первым опытом практического применения такой системы в горизонтальном бурении

В РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина разработаны принципиаль­ная схема, алгоритмы и программное обеспечение автоматизированной системы управления режимом работы и ориентирования забойного обо­рудования при бурении скважин с применением колонны гибких труб (АСУ КГТ) (рис. 11.1). АСУ КГТ обеспечивает в соответствии с разра­ботанным алгоритмом согласованное регулирование скорости подачи гибкой колонны труб и расхода промывочной жидкости в целях поддер­жания заданных параметров режима бурения и положения отклонителя.

161

Разработанная система работает следующим образом (см. рис. 11.1): с помощью пульта управления (ПУ) через микроконтроллер (МК) подачей гибкой колонны транспортером (Тр) устанавливается за­данная режимом бурения нагрузка G на долото (Д). Установка может выполняться либо по гидравлическому индикатору веса (ГИВ), либо по датчику давления (ДД) на выходе промывочного насоса (ПН). Одно­временно устанавливается заданный расход Q жидкости.

По данным измерения угла установки у отклонителя, по­ступающим с забойной телеметрической системы (ТС), устанавливается необходимое его значение путем регулирования нагрузки на долото из­менением подачи промывочной жидкости.

После этого система переводится в автоматический режим, обес­печивающий поддержание заданного положения отклонителя.

Корректировку угла положения отклонителя в процессе бурения вы­полняют с учетом данных об азимутальном а и зенитном 9 углах, посту­пающих также на пульт управления с забойной телеметрической системы.

Предлагаемую автоматизированную систему планируется использо­вать для оснащения разрабатываемых отечественных установок с КГТ.

162

12. ОСВОЕНИЕ СКВАЖИН И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРИТОКОВ