6.Управление искривлением ствола скважины при роторном бурении Цели После изучения данного раздела обучающийся должен уметь следующее:

1.

Назвать основные факторы, влияющие на работу роторных буровых компоновок при бурении наклонно-направленных скважин.

2.

Объяснить принципы работы шарнирных, маятниковых компоновок и компоновок со стабилизаторами.

3.

Назвать 6 факторов, влияющих на интенсивность набора кривизны при использовании шарнирной компоновки, и дать подробное описание каждого из них.

4.

Описать влияние изменения параметров бурения (нагрузка на долото, частота вращения и т. п.) на интенсивность набора кривизны при использовании шарнирной компоновки.

5.

Объяснить влияние изменения диаметра первого стабилизатора колонны на работу стабилизированной компоновки при бурении наклонно-направленной скважины.

6.

Объяснить влияние изменения параметров бурения на поведение стабилизированной компоновки при бурении наклонно-направленной скважины.

7.

Перечислить и объяснить оптимальные конструктивные особенности маятниковой компоновки.

8.

Объяснить влияние изменения нагрузки на долото и частоты вращения на спад угла кривизны при использовании маятниковой компоновки.

9.

Определить конфигурацию роторной КНБК для конкретного приложения, включая точное положение и размеры всех стабилизаторов.

10.

Объяснить факторы, влияющие на жесткость УБТ.

11.

Объяснить влияние изменения наружного диаметра УБТ на работу роторных компоновок при бурении наклонно-направленных скважин и указать рекомендуемые диаметры УБТ для конкретного диаметра ствола скважины.

12.

Объяснить понятие «отклонение долота от заданного направления» и указать общие характеристики отклонения для основных типов долот.

13.

Дать определение понятию «угол падения пласта» и описать влияние угла падения пласта на работу роторных компоновок при бурении наклонно-направленных скважин.

6.1

Введение

Одной из основных задач при бурении наклонно-направленных скважин является определение конфигурации роторных КНБК с учетом проектной траектории скважины. В данном разделе будут рассмотрены основные принципы управления искривлением скважины при бурении с использованием роторных компоновок и типовые КНБК для выполнения различных интервалов скважины. В данном разделе также будет рассмотрено влияние параметров бурения (например, нагрузка на долото) и анизотропии пласта. Кроме того, в данном разделе приведено краткое описание некоторых компьютерных моделей прогнозирования поведения КНБК.

Ранее управление углом наклона наклонно-направленной скважины при роторном бурении обеспечивалось за счет выбора соответствующей конфигурации КНБК и оптимальных параметров бурения. Однако при этом не обеспечивалось высокое качество управления. Шарошечные конические долота имеют тенденцию к отклонению вправо, для предотвращения этого отклонения применялись сбалансированные КНБК. До 80‑х годов стандартным методом компенсации отклонения вправо являлся ввод угла упреждения наклона скважины (смещение влево от проектной траектории).

6.2

Поперечная сила и угол наклона

Считается, что отклонение зависит от направления результирующей силы, воздействующей на долото. Также известно, что угол наклона долота (угол между осью долота и осью ствола скважины) влияет на направление бурения. Это обусловлено тем, что буровые долота спроектированы так, чтобы бурить в направлении, параллельном своей оси. Роторные системы оснащаются наддолотным стабилизатором, при этом угол наклона долота незначителен, а ключевым фактором является величина поперечной силы, воздействующей на долото.

Рис. 6-1

6.2.1

Факторы, влияющие на траекторию перемещения долота

Факторы, влияющие на работу роторных буровых компоновок при бурении наклонно-направленных скважин:

 диаметр и место установки стабилизаторов;

 диаметр и длина УБТ;

 нагрузка на долото;

 частота вращения;

 тип долота;

 анизотропия пласта и угол падения плоскостей напластования;

 твердость породы;

 расход бурового раствора;

 скорость проходки.

Безусловно, некоторые из указанных факторов взаимосвязаны.

6.3

Основные принципы управления искривлением ствола

 Принцип шарнира используется для набора угла кривизны (увеличения угла наклона скважины).

 Принцип, основанный на использовании стабилизаторов, используется для выдерживания угла кривизны и направления.

 Принцип маятника используется при необходимости обеспечить спад угла кривизны.

Далее в разделе приведены описания каждого из этих принципов с указанием типовых компоновок.

6.3.1

Принцип шарнира

Данный принцип предусматривает использование КНБК в составе полноразмерного наддолотного стабилизатора, УБТ длиной 40‑120 футов, установленных до первого стабилизатора бурильной колонны, либо без использования стабилизатора бурильной колонны. Набор угла кривизны обеспечивается при приложении нагрузки на долото.

Рис. 6-2

Как показано на рис. 6-2, УБТ, установленные выше наддолотного стабилизатора, изгибаются как под действием собственной массы, так и под действием нагрузки, прилагаемой на долото. Наддолотный стабилизатор выполняет функцию поворотного механизма или шарнира рычага, направляющего долото к верхней стенке скважины. При этом долото проходит по траектории, постепенно искривляющейся вверх (т.е. компоновкой обеспечивается искривление ствола).

6.3.2

Факторы, влияющие на интенсивность набора кривизны

Интенсивность набора кривизны УВЕЛИЧИВАЕТСЯ в результате:

 увеличения расстояния между наддолотным стабилизатором и первым стабилизатором бурильной колонны;

 увеличения угла наклона ствола;

 уменьшения диаметра УБТ;

 увеличения нагрузки на долото;

 уменьшения частоты вращения ротора;

 уменьшения расхода бурового раствора (в рыхлых породах).

a. Расстояние между наддолотным стабилизатором и первым стабилизатором бурильной колонны является основной конструктивной особенностью шарнирной компоновки, влияющей на интенсивность набора кривизны. Интенсивность набора угла кривизны увеличивается по мере увеличения данного расстояния, поскольку более длинная шарнирная секция сгибается в большей степени, что усиливает ее действие и поперечную силу, прилагаемую к верхней стенке ствола. Тем не менее, данный рост имеет ограничение. При расстоянии от верхнего стабилизатора до наддолотного стабилизатора более 120 футов (в зависимости от диаметра ствола, наружного диаметра УБТ и т. д.) УБТ будут касаться нижней стенки скважины, поэтому дальнейшее увеличение расстояния не будет приводить к повышению интенсивности набора кривизны.

b. При использовании шарнирной КНБК интенсивность набора кривизны повышается по мере увеличения угла наклона ствола в результате увеличения составляющей изгибающей нагрузки на УБТ под действием их собственного веса. Как видно из упрощенной механической схемы процесса, интенсивность набора угла кривизны должна повышаться прямо пропорционально синусу угла наклона. Данная причинно-следственная связь значительно сложнее в действительности. К примеру, компоновка для резкого набора угла кривизны, которая при угле наклона не более 15 обеспечивала интенсивность набора угла 1,5°/100 футов, может при угле наклона 60 выполнять ствол с интенсивностью набора угла 4/100 футов.

c. Диаметр УБТ. Как будет описано ниже в данном разделе (стр. 6‑24 и 6‑25), жесткость УБТ пропорциональна величине диаметра в четвертой степени. Поэтому небольшое уменьшение наружного диаметра УБТ, используемых в шарнирной секции, приведет к значительному увеличению их гибкости и, следовательно, интенсивности набора кривизны. Общепринятый подход не предусматривает варьирование диаметра УБТ для обеспечения требуемой интенсивности набора кривизны. Как правило, используются стандартные для конкретной скважины УБТ.

d. Нагрузка на долото. Увеличение нагрузки на долото способствует увеличению степени изгиба УБТ над наддолотным стабилизатором, что приводит к повышению интенсивности набора кривизны.

e. Частота вращения. По мере увеличения скорости вращения уменьшается степень изгиба УБТ и, следовательно, интенсивность набора угла кривизны. По этой причине шарнирные КНБК, как правило, работают при низкой частотой вращения (70-100 об./мин.)

f. Расход бурового раствора. Повышение расхода бурового раствора при бурении в рыхлых пластах может приводить к размыву породы под долотом, снижая таким образом тенденцию к набору кривизны.