Большой радиус

Рис. 69. Выбор долота для бурения

Бурение с роторными управляемыми компоновками значительно улучшает качество ствола и, следовательно, его очистку, что особенно важно в горизонтальных скважинах. Минимальная микрокривизна значительно уменьшает трение о стенки скважины, что позволяет бурить с большим отходом от вертикали и спускать обсадные колонны на большую глубину. Спиральная выработка, столь характерная для шарошечных долот и турбинного бурения, значительно увеличивающая износ долот и площадь забоя скважины, имеет незначительный характер, хотя, как отмечают исследователи, часто возникает при поликристаллическом вооружении долота. На рисунке 70 трехмерный график кавернометрии показывает неровный с переменным диаметром ствол при бурении с обычным забойным двигателем и гладкий ствол при использовании «Пауэрдрайв».

Рис. 70. Состояние ствола скважины

Н а рисунке 71 сравнивается соответствие проектной и фактической траектории ствола скважины при бурении с забойным двигателем и рассматриваемой системой. Вверху - фактическая траектория компоновки с забойным двигателем, выделяются перегибы ствола при наборе и падении зенитного угла. Более сложный профиль получается при проводке трехмерного профиля с изменением зенитного угла и разворотом по азимуту. Внизу – траектория с «Пауэрдрайв», перегибы ствола малозначительны.

Рис. 71. Сравнение профилей при бурении с обычным забойным

двигателем и «Пауэрдрайв»

На базе «Пауэрдрайв» «Шлюмберже» разрабатывается роторная управляемая система «Директ» с позиционированием долота (рисунок 72). Компоновка вращается верхним приводом либо забойным двигателем. В корпусе устройства размещены: турбинный генератор электроэнергии, блок электроники содержит датчики геонавигации и стабилизации, электромотор, в универсальном переводнике помещен узел подшипников и герметизации, приводной вал долота.

Рис. 72. Система «Директ» в сборе

В системе применяется динамическая стабилизация, то есть отклонение приводного вала от оси скважины синхронизировано с вращением бурильной колонны (рисунок 73). Приводной вал, расположенный в подшипниках, отклоняется электромотором от оси скважины. В наддолотном переводнике встроены датчики инклинометрии, что позволяет динамически позиционировать долото. Система находится в стадии промышленных испытаний.

Рис. 73. Схема действия системы «Директ»

12.2.1.3. «Веллдиректор» и «Экспрессдрилл» – «Нобль Дриллинг»

12.2.1.3.1. «Веллдиректор»

«Веллдиректор» является новой роторной управляемой системой, спроектированной для растущего количества высокотехнологичных скважин (рис. 74). Обеспечивает точный контроль траектории, увеличенную механическую скорость проходки и более гладкий, менее извилистый ствол скважины.

Датчики вблизи долота позволяют проводить корректировку по зенитному углу и азимуту оперативно для аккуратной проводки скважины к намеченным целям. Это позволяет специалистам по направленному бурению точно и эффективно проводить направленные и горизонтальные скважины, которые ранее были нерентабельны. Вдобавок использование «Веллдиректор» для контроля вертикальных скважин значительно улучшает эффективность бурения в пластах, склонных к искривлению траектории ствола.

Устройство доступно в двух типоразмерах 171 мм и 244 мм для бурения скважин до 222 мм и 311 мм соответственно (рис. 75).

Рис. 74. Общий вид системы «Веллдиректор»

Рис. 75. Основные размеры системы «Веллдиректор»

Достоинства:

- замкнутый контур управления;

- двухсторонний канал связи;

- телеметрия встроена в невращающийся корпус – измерение зенитного угла в 0,9 м от долота;

- состояние устройства контролируется постоянно с помощью встроенного пульсатора;

- проходимость при пространственной интенсивности до 3°/10 м;

- возможность срезки бокового ствола из вертикального;

- позволяет разбуривать башмак обсадной колонны;

- может быть использован для контроля вертикальных, направленных и горизонтальных скважин;

- качественная электроника;

- повышенная точность проводки скважины;

- увеличенная механическая скорость бурения;

- улучшенная отработка долота;

- снижение экономических затрат на бурение;

- максимальное время бурения на забое;

- модульный дизайн;

- специализация под направленное бурение;

- снижение риска простоев и аварий с оставлением инструмента.

«Веллдиректор» был значительно улучшен с начала его использования «Нобль Дриллинг» в 2002 году, включая новые высокотемпературные (до 175°C) датчики и электронику, улучшенное программное обеспечение и рабочие настройки, улучшенные вращающиеся уплотнения, подшипники и систему электропитания. Устройство было спроектировано в качестве альтернативы коммерческим РУС. Может быть размещено под любой MWD/LWD системой или использоваться самостоятельно с применением встроенной телеметрии и пульсатора. В связи с использованием концепции конструкции, разработанной для бурения сверхглубокой скважины KTB в Германии, «Веллдиректор» уникален в своих возможностях. «Веллдиректор» использует технологию радиального смещения долота для направленного бурения, основанную на использовании невращающегося корпуса с четырьмя отклоняющими опорами. Площадь четырех отклоняющих опор сравнительно больше, чем у большинства РУС, что позволяет использовать устройство в несцементированных породах, склонных к кавернообразованию. Широкие и длинные отклонители помогают поддерживать и направлять устройство в протяженных горизонтальных стволах и создавать максимальное отклоняющее усилие.

Измерения близко к долоту

В системе «Веллдиректор» 171 мм датчик зенитного угла размещается в 1,1 м над долотом и датчик азимута в 1,3 м. Для 245 мм системы, расстояния составляют 1,2 м и 4,5 м, соответственно. Используются твердотельные трехосевые магнитометры и акселерометры. Устройство принимает команды с поверхности в реальном времени по гидравлическому каналу связи во время бурения и может выполнять непрерывную правку траектории при необходимости. Вдобавок к данным инклинометрии контролируется состояние устройства. Данные могут быть проанализированы программным обеспечением «Дриллсмарт» и «Дриллграф» компании «Нобль Дриллинг» (поверхностная система и программное обеспечение, разработанные для оптимизации режимов бурения, а также качества и точности траектории ствола). Возможно программирование системы на поддержание определенной траектории в автоматическом режиме. Питание для электроники устройства обеспечивается батареями большой емкости. Дополнительно компанией разрабатывается 200-ваттный турбинный генератор.

Принцип работы

«Веллдиректор» является роторной управляемой системой длиной приблизительно 8 м с четырьмя опорами – отклоняющими поверхностями (каждая длиной 0,9 м и шириной 89 мм), размещенные через 90° на невращающемся корпусе, который также содержит электронные компоненты. Устройство сконструировано из немагнитного сплава АГ17 с минимумом магнитных частей, что позволяет таким образом встроить датчик азимута на расстоянии 1,1 м от долота (рис. 76).

Рис. 76. Конструкция устройства

Рис. 77. Действие отклоняющего устройства

Расстояние от нижней части устройства до отклоняющих опор составляет 0,3 м. Модифицированный пульсатор телеметрической системы на положительных импульсах давления присоединяется к верхней части устройства и размещается в дополнительной 2,1-метровой немагнитной УБТ с соединением «муфта-муфта». Эта УБТ может быть гладкой или с выточками в зависимости от пространственной интенсивности искривления. При использовании гладкой УБТ над ней размещается дополнительный стабилизатор.

Работа устройства базируется на замерах, вычисленных электроникой на забое, и не использует принцип привязки положения отклонителя к верхней стенке скважины, что разрешает более гибкое его использование. Однако необходимо размещать над устройством дополнительные немагнитные разделители, обычно состоящие из одной или двух НУБТ для того, чтобы КНБК оставалась гибкой. Полноразмерный или близкий к полноразмерному стабилизатор размещается на верхнем конце роторной управляемой системы для калибрования ствола скважины и улучшения проработки при подъеме (рис. 78).

Рис. 78. Принцип действия отклоняющего устройства

Гидравлическая мощность, подводимая к устройству, связана с частотой вращения ротора. Вращение бурильной колонны также необходимо для включения питания от батарей. Устройство может быть запрограммировано на включение при разных скоростях. Текущая частота включения 80 об/мин. Максимальная частота вращения ротора 200 об/мин.

Устройство создает давление на отклонители через клапан на каждой опоре. Верхний конец нагружен пружиной для поддержания постоянного контакта со стенками скважины и предотвращения проворачивания. Опоры передают усилие на стенки скважины. В противоположном направлении возникает усилие, смещающее долото для изменения траектории скважины.

Замкнутый контур управления

Запрограммированная траектория ствола для достижения проектных целей обусловливает выбор активируемой опоры для изменения направления. Управление базируется на сравнении измерений системы и программы на проводку скважины, заложенной в памяти. Минимум одна и максимум две смежные опоры могут быть активированы в любое время для создания необходимого усилия радиального смещения долота.

Клапаны срабатывают с максимальным давлением приблизительно 17 МПа. Векторная сумма усилий отдельных опор не является точным расчетным положением боковой режущей кромки долота, рассчитанным для изменения траектории на данном участке. Однако устройство измеряет и передает замеры инклинометрии каждые 2,5 минуты и автоматически корректирует траекторию в соответствии с планом. Частое обновление позволяет компенсировать любые неточности в направлении действия векторных сумм усилий отдельных опор и точно соответствовать желаемой траектории.

Отсутствует приоритет зенитного угла или азимута, таким образом, эти два параметра для системы равнозначны. Это важно при бурении сложных трехмерных профилей и управлении устройством специалистом по направленному бурению. Максимальное усилие, прилагаемое к отклоняющей опоре, составляет 10600 Н и 23840 Н для систем диаметром 171 мм и 245 мм соответственно.

В нейтральном положении все опоры прижимаются к стенкам скважины с выходом из корпуса h = 5 мм. При активации вращением ротора с частотой выше заданной определенные опоры выдвигаются дальше до H = 10 мм для создания радиального смещающего усилия на долоте. При нормальном качестве ствола скважины внешний размер устройства не превышает диаметр ствола, что задается его конструкцией.

Двухсторонний канал связи

Возможно перепрограммирование системы на достижение новых целей использованием кодированных серий падений давления, то есть управление «Веллдиректор» с поверхности. При этом используется гидравлический ограничитель потока, управляемый компьютером и размещаемый в манифольдной линии. Процесс перепрограммирования может быть произведен при бурении для экономии времени и предотвращения простоев.