Маятниковая компоновка длиной 30 футов

Рис. 6-15

Интенсивность спада угла отклонения зависит от угла отклонения скважины от вертикали, диаметра и массы нижней УБТ, а также параметров бурения. При угле отклонения от вертикали, равном 45, компоновкой, как правило, будет обеспечиваться интенсивность спада угла отклонения 1,5-2,0/100 футов.

Немагнитные компоненты и инклинометры должны размещаться с учетом местных условий.

Рис. 6-16

Данная компоновка будет обеспечивать несколько меньшую интенсивность спада угла отклонения, чем вышеописанная компоновка, но позволит ограничить отклонение долота от заданной траектории и, следовательно, обеспечит более надежный контроль азимута.

Немагнитные компоненты и инклинометры должны размещаться с учетом местных условий.

Рис. 6-17

Данная компоновка с укороченным маятником обеспечивает постепенный спад угла отклонения порядка 1/100 футов в зависимости от отклонения скважины от вертикали и т.п.

Немагнитные компоненты и инклинометры должны размещаться с учетом местных условий.

Рис. 6-18

Данная компоновка обеспечивает наибольший спад угла отклонения, поэтому она неприемлема для наклонно-направленных скважин и используется только в скважинах с малым углом отклонения от вертикали. Эта компоновка обычно применяется для бурения вертикальных скважин в породах низкой и средней твердости.

Немагнитные компоненты и инклинометры должны размещаться с учетом местных условий.

При возможности участки спада угла отклонения не должны предусматриваться в твердых пластах.

6.4

Влияние типа долота на работу роторных буровых компоновок при бурении наклонно-направленных скважин

Шарошечные конические долота

При роторном бурении с использованием шарошечных конических долот тип долота практически не влияет на набор, выдерживание или спад угла отклонения. Как обсуждалось ранее, на это влияет конфигурация стабилизаторов и УБТ, а также параметры бурения.

С другой стороны, тип используемого долота значительным образом влияет на его поперечные колебания. Стандартные трехшарошечные долота имеют тенденцию к отклонению вправо при нормальном роторном бурении. В целом, долота с длинными фрезерованными зубьями, используемые в пластах низкой и средней твердости, имеют более выраженную тенденцию к отклонению вправо, чем долота с короткими зубьями при их использовании в твердых породах. Это, главным образом, обусловлено тем, что скалывающее/срезающее действие долот для рыхлых пород сопровождается смещением долота вправо. Кроме того, данный эффект усиливается при использовании долот с длинными зубьями для рыхлых пород ввиду большего смещения шарошек.

Долота с поликристаллическими алмазными вставками (PDC)

В 80-е года в роторном бурении широко использовались долота PDC с низкой нагрузкой на долото и высокой частотой вращения. При роторном бурении с использованием долот PDC боковые колебания долота практически не наблюдаются (компоновки проходят по заданной траектории). При этом также установлено, что долота PDC влияют на контроль угла отклонения, особенно при использовании компоновки для спада угла отклонения.

Длина калибрующей части долота PDC может значительно влиять на интенсивность набора кривизны при использовании роторной компоновки. Долота PDC с короткой калибрующей частью могут обеспечивать более высокую интенсивность набора кривизны, чем при использовании трехшарошечных долот. С другой стороны, большая длина калибра способствует стабилизации долота, что приводит к уменьшению интенсивности набора кривизны. Низкая нагрузка на долото, поддерживаемая при использовании долот PDC, может также способствовать уменьшению интенсивности набора кривизны, поскольку изгиб УБТ уменьшается по мере снижения нагрузки на долото. При использовании со стабилизированными компоновками для бурения участков набора кривизны долота PDC с длинной калибрующей частью обеспечивают выдерживание угла отклонения и направления ввиду улучшенной стабилизации долота.

При использовании с компоновками для спада угла отклонения долота PDC могут обеспечивать более низкий темп спада, чем при использовании трехшарошечного долота. В общем, чем больше длина калибрующей части долота PDC, тем ниже темп спада угла отклонения, поскольку калибр большой длины также действует в качестве полноразмерного наддолотного стабилизатора. Долота PDC малой длины могут эффективно использоваться для выполнения участков спада угла отклонения. При использовании соответствующего долота PDC в составе роторной маятниковой компоновки низкая нагрузка на долото и высокая частотой вращения, характерные для долот PDC, будут способствовать спаду угла отклонения.

6.5

Жесткость УБТ

Как описано выше, работа КНБК, в частности шарнирных и маятниковых, в значительной степени зависит от жесткости УБТ, используемых в нижней их части. УБТ обычно рассматриваются как толстостенные изделия цилиндрической формы. Их жесткость зависит от осевого момента инерции и модуля упругости стали.

Рис. 6-19

Осевой момент инерции I определяется по формуле:

Погонный вес W рассчитывается по формуле:

где ρ — плотность стали.

Следует отметить, что жесткость пропорциональна наружному диаметру в четвертой степени, тогда как масса УБТ пропорциональна квадрату наружного диаметра. Это означает, что внутренний диаметр мало влияет на жесткость УБТ, но оказывает значительное влияние на ее массу.

Значения относительной массы и инерции для некоторых диаметров некоторых широко используемых УБТ приведены в таблице ниже.

Наружный диаметр УБТ, дюймы

Момент инерции, дюйм⁴

Погонный вес, фунтов/фут

4,75

25

45

6,5

85

100

8,0

200

160

9,5

400

235

Интересно отметить, что момент инерции УБТ диаметром 9-1/2 дюйма вдвое превышает данный показатель для УБТ диаметром 8 дюймов, который в свою очередь вдвое больше значения для УБТ диаметром 6-1/2 дюйма.

Составляющая погонного веса, изгибающая УБТ и создающая поперечные нагрузки на долото и стабилизаторы, рассчитывается по следующей формуле:

W_x = W (BF) sin Θ

где W = масса участка УБТ длиной один фут в воздухе,

BF= — – коэффициент потери веса в буровом растворе,

и  = угол отклонения ствола скважины.

Например, при отклонении ствола 50 и плотности бурового раствора 10 фунтов/галл., величина W_x для УБТ диаметром 8 дюймов будет составлять:

W_x = 160  0,847  sin 50

W_x = 160  0,847  0,766 = 104 фунтов/фут (коэффициент потери веса в буровом растворе плотностью 10 фунтов/галл. = 0,847)

В таблице ниже приведены значения модуля упругости и плотности для различных металлов, используемых при производстве УБТ.

Металл

Модуль упругости, 10⁶ фунт/кв. дюйм

Плотность, фунт/фут³

Сталь (низкоуглеродистая)

29,0

491

Нержавеющая сталь

28,0

501

Монель К

26,0

529

Алюминий

10,6

170

Вольфрам

51,5

1205

Главным образом следует отметить, что большинство марок стали и монеля, используемых в УБТ, имеют практически одинаковые значения модуля упругости и плотности. Таким образом, жесткость УБТ практически полностью зависит от ее наружного диаметра и пропорциональна его значению в четвертой степени. При этом алюминиевые УБТ обладают большей гибкостью, а вольфрамовые УБТ являются более жесткими по сравнению со стальными УБТ того же размера.

Как правило, рекомендуется использовать УБТ стандартного для скважины диаметра. При этом специалисты по бурению наклонно-направленных скважин должны понимать последствия изменения наружного диаметра УБТ.

6.5.1

Влияние изменения наружного диаметра УБТ

При использовании шарнирной компоновки (для набора кривизны) уменьшение наружного диаметра УБТ приведет к значительному увеличению интенсивности набора кривизны, поскольку УБТ меньшего диаметра характеризуются большей гибкостью и сгибаются в большей степени. Другим фактором является зазор между наружной поверхностью УБТ и стенкой скважины. Чем больше данное расстояние, тем в большей степени изгибаются УБТ до контакта с нижней стенкой скважины. После контакта УБТ с нижней стенкой скважины дальнейшее увеличение нагрузки на долото будет лишь в незначительной степени влиять на интенсивность набора кривизны, а точка контакта будет перемещаться вниз по стволу.

При использовании стабилизированной компоновки уменьшение наружного диаметра УБТ может привести к небольшому повышению интенсивности набора кривизны ввиду большего искривления УБТ.

При использовании маятниковой компоновки должна быть обеспечена максимально возможная жесткость маятникового участка, поэтому рекомендуется применять УБТ большого диаметра. Уменьшение наружного диаметра УБТ повышает вероятность прогиба УБТ в направлении нижней стенки ствола, что ослабляет маятниковый эффект и снижает интенсивность спада угла отклонения. Кроме того, при уменьшении наружного диаметра УБТ также уменьшается масса нижних УБТ, что приводит к снижению маятникового эффекта и интенсивности спада угла отклонения.

6.6

Влияние характеристик пласта на траекторию долота

В некоторых случаях природа и твердость разбуриваемой породы существенно влияют на направление бурения, хотя в ряде случаев такое влияние преувеличивается. Важное значение имеет структура пласта: изотропная или анизотропная. Свойства и поведение изотропной породы не меняются в зависимости от направления бурения. Большая часть песчаников относится к изотропной группе. В противоположность изотропным свойства анизотропных пород, например сланцев, изменяются в зависимости от направления бурения.

Большинство скважин на нефтяных месторождениях (хотя и не всегда) выполняются в осадочных образованиях. Ввиду характера отложения осадочные породы образованы слоями или напластованиями, поэтому большинство осадочных пород характеризуются некоторой анизотропностью. Опыт бурения в наклонных пластах показывает, что буровое долото отклоняется в зависимости от угла наклона пласта и направления напластования. Такое явление, главным образом, характерно при бурении в пластах различной твердости под малым углом, в частности, на месторождениях с ярко выраженной слоистой структурой.

В течение нескольких последних лет был предложен ряд описаний и моделей данного явления. В начале своей работы над теорией маятника Лубинский (Lubinski) и Вудс (Woods) предложили модель переменной буримости, устанавливающую связь между показателем твердости пласта при проникновении в напластования под прямым углом и показателем твердости пласта при бурении параллельно слоям пласта. Они составили таблицы показателей анизотропности и классов пластов, которые могут использоваться в качестве справочника при определении длины маятниковой секции, диаметра УБТ или нагрузки на долото.

Другая теория основана на том, что при проходке буровым долотом твердых пластов они разрушаются перпендикулярно плоскости падения пласта, что создает небольшой эффект отклонителя, направляющего долото в соответствии с направлением падения пласта.

МакЛамор (McLamore) и др. предложили теорию избирательного формирования осколков выбуренной породы. Данная теория основана на особенностях образования осколков на одном зубе долота. Анизотропные пласты характеризуются избирательными плоскостями разрушения породы. По мере проникновения долота в пласт на каждый из его зубьев воздействует сжимающее усилие, направленное перпендикулярно рабочей поверхности зуба. Разрушение от скалывания будет вероятнее всего наблюдаться вдоль плоскостей напластования осадочной породы. При бурении анизотропной породы с одной стороны долота будут образовываться большие осколки породы, а с другой его стороны — мелкие осколки, причем крупные осколки будут формироваться быстрее, чем мелкие. Как показано на рисунке ниже, с разных сторон зуба долота будет образовываться разное количество осколков породы.

Как видно из схемы, силы, действующие между зубом долота и породой, будут иметь бóльшую величину с правой стороны зуба. Таким образом, на долото будет воздействовать результирующая сила, направленная влево. Как показано на рис. 6‑20, данная сила F_d является отклоняющей силой. Отсюда следует, что отклоняющая сила зависит от угла падения пласта.

Рис. 6-20

6.6.1

Взаимосвязь между углом наклона напластования и силой отклонения

Нижеприведенный график, основанный на описанной выше теории избирательного формирования осколков выбуренной породы, составлен по результатам экспериментов.

Рис. 6-21. Зависимость максимальной силы отклонения от наклона пласта

Эффективный угол падения пласта соответствует углу, под которым долото проникает в напластование. В соответствии с графиком, при эффективном угле наклона менее 45 отклоняющая сила будет направлена по восстанию пласта, а при угле наклона более 45 — по падению пласта. Направления по восстанию и по падению пласта показаны на рис. 6‑22.

Рис. 6-22. Направления по восстанию и по падению пласта

Сведения о случаях непрогнозируемых отклонений от траектории при бурении вертикальных скважин, произошедших за несколько лет, подтверждают данные, представленные на графике 6‑21. При бурении в чередующихся твердых и рыхлых пластах с малыми углами падения при использовании стабилизированного долота и нагрузке, достаточной для изгиба УБТ, долото проходит, как правило, перпендикулярно плоскости напластования.

На рис. 6-23 показан случай отклонения долота по восстанию пласта при проходке через пласт с малым углом падения.

Рис. 6-23 При малом угле наклона пласта долото отклоняется в направлении восстания пласта.

Характер залегания породы будет влиять на отклонение долота аналогичным образом. При угле наклона пласта менее 45° и траектории ствола, проходящей по границе напластования вверх по восстанию, долото будет поддерживать данную траекторию, но с набором кривизны. В случае если траектория ствола смещена влево относительно границы напластования по восстанию, то долото будет отклоняться вправо и наоборот. На практике оба данных явления представляют собой частные случаи отклонения инструмента в направлении восстания пласта.

При угле наклона пласта более 45 долото, как правило, будет проходить по траектории, параллельной плоскости напластования.

Рис. 6-24 При большом угле наклона пласта долото отклоняется в направлении падения пласта.

При угле наклона пласта более 45 и траектории ствола, смещенной вправо от границы напластования по восстанию, долото будет отклоняться влево. В случае если траектория ствола смещена влево относительно границы напластования по падению, то долото будет отклоняться вправо. Эти оба данных явления также являются частными случаями отклонения инструмента в направлении падения пласта.

При угле наклона пласта 0 или 90 долото отклоняться не будет, поскольку долото входит в однородную структуру и все время проходит идентичные слои или между слоев.

6.6.2

Эффективный угол падения пласта при бурении направленной скважины

При наклонно-направленном бурении эффективный угол падения пласта соответствует углу, под которым долото проникает в напластование.

 Угол отклонения ствола = 30°

 Фактический угол падения пласта = 35°

 Эффективный угол падения пласта = 30° + 35° = 65°

 Сила отклонения в направлении падения пласта

Рис. 6-25

 Угол отклонения ствола = 0

 Эффективный угол падения пласта равен фактическому углу (35)

 Сила отклонения в направлении восстания пласта

Рис. 6-26

 Угол отклонения ствола = 35

 Фактический угол падения пласта = 35

 Эффективный угол падения пласта = 0

 Сила отклонения отсутствует

Рис. 6-27

6.6.3

Твердость породы

Выше в данном разделе рассматривалось влияние анизотропности пород и изменения твердости слоев на траекторию наклонно-направленной скважины. При этом следует выделить несколько общих аспектов влияния твердости пород на поведение компоновки при бурении наклонно-направленных скважин.

Сверхрыхлые породы могут размываться буровым раствором, подаваемым из насадок долота, что будет приводить к образованию ствола увеличенного диаметра. При этом достаточно сложно обеспечить набор кривизны ствола даже при использовании компоновки для резкого набора кривизны. При вероятности возникновения такой проблемы долото должно оснащаться насадками большого диаметра. В случае если данная проблема обнаруживается в ходе бурения, скорость подачи бурового раствора должна быть снижена. Перед выполнением присоединений расход бурового раствора должен повышаться для промывки ствола. Это следует делать после подъема долота с забоя до выхода на поверхность первого соединения. Промывка или расширение ствола, выполненного в рыхлых породах, также может приводить к тому, что при большом угле кривизны стабилизированная компоновка может отклониться на траекторию спада угла. Для устранения данного отклонения необходимо увеличить нагрузку на долото и снизить расход бурового раствора. В случае если такая проблема спрогнозирована заранее, возможным решением может быть использование компоновки для плавного набора кривизны.

В твердых пластах работа КНБК в большей степени соответствует расчетам, поскольку в таких условиях вероятность выбуривания ствола точного диаметра гораздо выше. В пластах средней и высокой твердости компоновки для набора кривизны отличаются более высокой управляемостью, так как требуемая кривизна может быть обеспечена за счет приложения максимальной нагрузки на долото. Основной проблемой при бурении наклонно-направленных скважин в твердых породах является сложность вывода маятниковой компоновки на траекторию спада угла отклонения. В общем, чем выше твердость породы, тем сложнее вывести соответствующую компоновку на траекторию спада угла отклонения ствола. При этом также может возникнуть противоречие, заключающееся в том, что для выхода на траекторию спада угла отклонения необходимо снизить нагрузку на долото, а для обеспечения приемлемой скорости проходки следует данную нагрузку увеличить. При возможности не следует выполнять участки спада угла отклонения скважины в твердых породах. При необходимости выполнения такого участка в твердой породе рекомендуется использовать УБТ большого диаметра и массы.

6.6.4

Выводы по влиянию характеристик пласта на наклонно-направленное бурение

Следует отметить, что в большинстве пластов свойства пород оказывают незначительное влияние на работу КНБК при наклонно-направленном бурении.

В рыхлых пластах, пластах средней рыхлости и изотропных пластах порода имеет незначительное влияние на работу КНБК, которая, как правило, соответствует расчетной.

В осадочных породах средней и высокой твердости, характеризующихся существенной анизотропностью, характер залегания пласта, в частности эффективный угол наклона напластований, может оказывать значительное влияние на работу компоновок при наклонно-направленном бурении. При эффективном угле наклона менее 45 долото отклоняется по восстанию пласта. При эффективном угле наклона более 45 долото отклоняется по падению пласта. При эффективном угле наклона, составляющим лишь несколько градусов или около 45, тенденция к отклонению долота от прямолинейной траектории не наблюдается.

Наилучшим средством для предотвращения нежелательных отклонений под влиянием характеристик пород является использование стабилизированных компоновок. Использование полноразмерного наддолотного стабилизатора позволит снизить вероятность боковых колебаний долота. Если при выполнении скважин на данном участке наблюдалось существенное влияние пород на работу компоновки, ее конфигурация должна быть соответствующим образом изменена для компенсации ожидаемых явлений.

6.7

Использование компьютерных программ для прогнозирования работы КНБК

С начала 1970-х годов активно велись работы по математическому моделированию работы КНБК, в результате чего было разработано множество компьютерных программ для прогнозирования работы роторных компоновок при наклонно-направленном бурении. Подобные программы в большинстве случаев были основаны на двухмерных статических моделях и не были способны достаточно точно спрогнозировать работу КНБК. В настоящее время для этой цели используются двухмерные, трехмерные, динамические и статические модели. Даже в наиболее сложных моделях описание скважинных условий основано на упрощающих допущениях. Наиболее удачными программами оказались те приложения, в которых для уточнения прогнозов работы КНБК используются результаты предыдущих анализов фактического поведения компоновки.

Данная задача разделена на два этапа. Во-первых, для определения поперечной силы, действующей на долото, и угла наклона долота проводится механический расчет конструкции. Во-вторых, полученные данные используются для моделирования работы компоновки в плане интенсивности набора кривизны и параметров боковых колебаний.

6.7.1

Механический расчет конструкции КНБК

Наиболее простым методом решения данной проблемы является использование аналогии с конструкцией из пролетов и опор. В данной двухмерной модели стабилизаторы изображаются в виде опор или точек вращения. Принимается, что долото также имеет аналогичную опору. УБТ представляются в виде многопролетной балки с равномерно распределенным весом и жесткостью. Точка опоры исключает продольный изгиб балки, но обеспечивает свободу поворота. Оптимальное распределение компонентов в данном случае достигается за счет установки стабилизаторов между УБТ, начиная с первой УБТ у долота и т. д.

На машинную обработку данной простейшей модели требуется минимум времени. Данная модель для КНБК с тремя стабилизаторами была запрограммирована в вычислительный модуль HP41 и зарекомендовала себя как надежное средство прогнозирования тенденций набора кривизны/спада угла отклонения в пластах, не оказывающих значительного влияния на поведение компоновки. На схеме ниже показана схематичная аналогия для КНБК с тремя стабилизаторами.