7.2 Аналитические модели кнбк для наклонного бурения

Аналитическая модель КНБК должна учитывать конструктивные особенности турбобура и гидравлического винтового забойного двигателя (ГВЗД), а также условия формирования ствола и технологию бурения скважины.

Основными особенностями КНБК на базе турбобура и ГВЗД в отличие от КНБК роторного типа являются разная жесткость, вес и диаметр отдельных секций, а также наличие радиального люфта вала.

Известны два основных типа аналитической модели КНБК:

- кинематическая;

- статическая.

Отечественными и зарубежными исследователями разработан ряд кинематических моделей КНБК при пространственном искривлении скважин [15, 19, 22]. Основной целью таких моделей является расчет параметров ствола скважины при бурении КНБК с заданными размерами. При этом возможно решение обратной задачи. Из ряда кинематических моделей искривления скважины можно выделить модель, разработанную М.П. Гулизаде, Л.Я.Сушоном, Л.Я.Кауфманом как наиболее обоснованную и рекомендуемую рядом документов к практическому применению [22]. Из математического описания данной модели следует, что она позволяет только сформулировать условия, при которых параметры траектории будут изменяться тем или иным образом. Кроме того, отклоняющая сила и угол перекоса долота определяются из расчета статики КНБК.

Любая кинематическая модель искривления скважины должна учитывать следующие факторы, оказывающие влияние на траекторию бурения:

- текущий диаметр ствола скважины;

- физико-механические свойства разбуриваемых горных пород;

- схему взаимодействия КНБК со стволом скважины;

- темп изнашивания вооружения породоразрушающего инструмента и центраторов;

- прогибы и вибрацию низа бурильной колонны;

- режимные параметры бурения.

Степень влияния каждого из указанных факторов на траекторию бурения трудно количественно оценить из-за отсутствия необходимых точных сведений о физико-механических свойствах горных пород, информации о и состоянии долота и центраторов в каждый момент времени, а также о диаметре формируемого ствола скважины.

Например, что касается диаметра скважины, то измерения каверномером дают некоторую информацию о его величине, но с момента бурения и до момента измерения диаметр скважины существенно изменяется. В разработанных кинематических моделях искривления скважины сложный алгоритм дает возможность рассматривать скорость бокового фрезерования долотом и калибратором как величину пропорциональную отклоняющей силе. Однако в настоящее время нет способа определить свойства горной породы в забойных условиях и математически описать механизм разрушения горной породы долотом и калибратором в целях использования данной информации в какой либо кинематической модели.

По указанным причинам авторами известных кинематических моделей искривления скважины влияние отмеченных выше факторов, определяющих траекторию движения долота, оценивается соответствующими эмпирическими коэффициентами. Следовательно, надежность и точность таких кинематических моделей искривления скважины зависят от степени изученности района буровых работ, в части свойств горных пород, результатов работы КНБК. По указанным причинам параметры траектории бурения, полученные с помощью любой из известных кинематических моделей искривления скважины, не соответствует современным требованиям к точности выполнения проектного профиля скважины, особенно при бурении разведочных скважин и на начальном этапе разбуривания нефтегазового месторождения.

Процесс углубления скважины характеризуется низкими (50 м/час и менее) скоростями бурения, поэтому аналитические исследования поведения бурового инструмента, предназначенного для выполнения проектного профиля скважины, с достаточной для практики точностью можно проводить на основе статической модели КНБК.

В 1953 году Г.Вудсом и А.Лубинским для расчета маятниковой КНБК с центратором использовано интегро-дифференциальное уравнение упругой оси КНБК, расположенной в прямолинейном наклонном стволе скважины (уравнение Зего) 15:

(7.25)

где EJ – жесткость КНБК на изгиб, кН·м²;

Р – продольная сила, кН;

F – отклоняющая сила, кН;

q – поперечная составляющая веса КНБК, кН/м.

α – зенитный угол ствола скважины, град.;

l - длина секции КНБК, м.

Уравнение (7.25) позже было широко использовано для анализа жёстких КНБК в условиях бурения наклонно направленной скважины.

Коллас Н. Р. [131] при оптимизации КНБК для мало интенсивного увеличения зенитного угла использовал дифференциальное уравнение третьего порядка, полученного из уравнения (7.25):

(7.26)

КНБК рассматривается в искривленном стволе скважины и, как следует из уравнения (7.26), нагружена как сосредоточенными, так и распределенными продольными и поперечными силами. В работе [131] показана возможность создания на долоте условий, при которых поперечная сила, приложенная к долоту, и угол его поворота равны нулю. Данный результат достигается путём подбора параметров КНБК (диаметр центраторов и длина секций между центраторами) для заданного значения зенитного угла и кривизны ствола скважины. В этом случае горная порода разрушается только в направлении оси долота, что создаёт оптимальные условия для работы породоразрушающего инструмента (долота, калибратора).

Недостаточная эффективность известных научно-методических решений в области исследования и проектирования КНБК, заключается в том, что методика расчета стабилизирующих КНБК создавалась на основе представлений о механизме искривления вертикальных скважин, который существенно отличается от условий формирования наклонного ствола.

К особенностям проводки вертикальных скважин, на месторождениях, характеризующихся сильным искривлением ствола, относятся:

- значительное искривление ствола отмечается при бурении в разрезах, сложенными твердыми, круто падающими пластами горной породы;

- бурение производится преимущественно роторным способом;

- на процесс искривления существенное влияние оказывает потеря продольной устойчивости нижней части бурильной колонны.

Несовершенство методов расчета КНБК для предупреждения искривления тангенциальных интервалов ствола (так называемые стабилизирующие КНБК, у которых данная цель является показателем назначения) в условиях бурения скважин в Западной Сибири заключается в следующем:

- в расчетах не учитывалось внедрение опорных элементов центратора в стенку ствола скважины (в вертикальной скважине этот фактор оказывает незначительное влияние на работу КНБК в силу сравнительно небольшой нагрузки на опорный элемент центратора. Кроме того, данному фактору в технологии предупреждения искривления вертикальных скважин оказывалось недостаточное внимание, поскольку проблемы с искривлением ствола таких скважин возникают на больших глубинах в интервалах, сложенными плотными, устойчивыми горными породами);

- не учитывалось влияние на работу КНБК слоя шлама в скважине;

- не оценивалось влияние радиального люфта вала забойного двигателя, так как бурение глубоких вертикальных скважин осуществлялся в то время в регионах использования роторного способа бурения.

В то же время чрезмерное внимание уделялось таким факторам как анизотропия горных пород, продольная устойчивость бурильной колонны, которые или не оказывают существенного влияния на процесс искривления наклонного ствола в рыхлых, неустойчивых осадочных горных породах, характерных для нефтегазовых месторождений Западной Сибири и им аналогичных или (это относится к продольной устойчивости низа бурильной колонны) данный фактор в наклоном бурении не существует вообще.

Отмеченные недостатки методов анализа работы и проектирования КНБК не позволили оценить влияние всего комплекса геологических и технико-технологических факторов, дестабилизирующих работу КНБК. Кроме того, они не позволили также провести анализ работы и осуществить проектирование КНБК, обладающих необходимой устойчивостью на проектной траектории в условиях многократного усиления негативных факторов при изменении конструкции КНБК и технологии бурения, которые заключаются, например, в переходе на высоколитражные типы турбобуров диаметром 195 мм, изменение типа долота (переход при бурении некоторых интервалов с долота типа С на тип М.

Математическая модель и расчетная схема для исследования работы КНБК на основе забойного двигателя в осложненных условиях бурения должна учитывать:

- радиальный люфт вала шпинделя турбобура;

- абразивное изнашивание опорно-центрирующих элементов КНБК;

- гидроэрозию стенки ствола скважины;

- кривизну самого ствола скважины;

- наличие шлама в стволе скважины в месте расположения КНБК.

Надежность метода расчета КНБК в значительной мере зависит от правильного и обоснованного выбора расчетной схемы. При разработке расчетной схемы проводимые пренебрежения касаются не только геометрических размеров, но и условий бурения. Применительно к КНБК условия эксплуатации в расчетной схеме задаются геометрией ствола скважины и системой действующих на него внешних сил.

Универсальным и общепринятым приемом упрощений внешних сил при расчете КНБК является введение сосредоточенных сил, заменяющих распределенные нагрузки, действующие на опорно-центрирующие элементы и долото. Такого рода упрощение допустимо для КНБК, так как размеры рабочих поверхностей опорных устройств и долота малы по сравнению с общей длиной КНБК. Ясно, что в реальной конструкции КНБК передача усилий в точке неосуществима, и сосредоточенная сила представляет собой понятие, свойственное только расчетной схеме. Основным приемом, упрощающим геометрию, является приведение геометрической формы КНБК к схеме тонкого, упругого, обладающего собственным весом стержня.

Схематизация опорных устройств и долота является составной частью выбора расчетной схемы, во многом определяющей соответствие полученного результата свойствам реальной конструкции КНБК. Как уже отмечалось, длина каждого опорного устройства и долота по сравнению с общей длиной КНБК мала, поэтому эти устройства правомерно считать точечными опорами. Очень важно при схематизации долота и опорных устройств определить упрощение, касающееся вида закрепления КНБК в месте их расположения.

Экспериментальными и аналитическими исследованиями установлено, что система «забой-долото» по своим характеристикам близка к шарнирно-неподвижной опоре, а опорные устройства - к шарнирно-подвижным опорам [113].

Выбор расчетной схемы необходимо производить также с учетом решения следующих практических задач:

- расчет деформаций, изгибающих моментов и перерезывающих сил в сечении КНБК;

- определение схемы взаимодействия КНБК со стволом скважины,

- расчет опорных реакций на каждом центраторе и отклоняющей силы на долоте.

Проектные профили наклонных скважин включают дуги окружности и прямолинейные участки и проектируются преимущественно в вертикальной плоскости. Поэтому при решении поставленных задач ствол скважины может быть выполнен прямолинейным или в виде дуги окружности, расположенной в вертикальной плоскости.

Расчетная схема кроме минимального отступления от реальной конструкции КНБК, должна быть максимально приближена к разработанной аналитической его модели.

В качестве такой модели может быть взято известное интегро-дифференциальное уравнение (7.25) изгибающих моментов от сосредоточенных нагрузок и веса самой КНБК [15].