книги из ГПНТБ / Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

90

III. Для участка 0D (см. рис. 22)

Ввиду прогиба участка OZ? конец балки в точке С опустится на

91

Подставив все величины в уравнение (66), получим

L sin ^аз -{- —^—j —Dc + гд + лт

реводника) турбобура, приращение угла искривления ствола и со­ отношение диаметров скважины н долота.

вого переводника.

Применение такого жесткого переводника с 65/s и 8" укорочен­ ными турбобурами, которые в корпусе имеют соответственно резьбы 3-147 и 3-189, при бурении наклонных скважин нормальных и уменьшенных диаметров на площадях Артем-море и банка Дар­ вина показало, что интенсивность искривления ствола при этом значительно увеличивается.

Для иллюстрации влияния жесткости переводника турбобура на величину отклоняющей силы на рис. 24 представлены зависимо­ сти изменения Р от от а 0 при бурении турбобуром T12Ml-65/s" с 214-мм долотом для трех случаев: 1) турбобур с обыкновенным

личения отклоняющей силы при усилении жесткости шейки турбо­ бура или в случае применения его без шейки тем выше, чем больше жесткость отклонителя и угол искривления ствола скважины. На­ пример, усиление жесткости шейки турбобура Т12М1-65/8"дожест-

92

кости 146-мм УБТ увеличивает Р 0т при использовании 140-мм кривой трубы на 12% в случае а 0 = 0° на 25% в случае а 0 = 20°, а при использовании 146-мм кривого переводника соответственно — на 38 и 77%. Применение же турбобура Т12М1-65/8" без перевод­ ника увеличивает Р 0т для тех же условий при 140-мм кривой трубе на 29 и 59%, а при 140-мм кривом переводнике — в 1,68 и 2,42 раза. Кроме того, в случае применения турбобуров без переводников их длина уменьшается на длину переводника, что приводит к умень­ шению радиуса вписываемости и прогиба турбобура в результате упругой деформации, а следовательно, и к увеличению возможного приращения угла искривления скважины.

Рис. 24. Зависимость отклоняющей силы от угла искривления скважины при различных жесткостях переводника (шейки):

а — 140-мм кривая труба с а3=4°, б — 146-мм кривой переводник с а3=2°

Применение турбобуров Т12М1-65/8" без шейки явилось одним из основных мероприятий, способствовавших успешной проходке с высокими технико-экономическими показателями наклонных скважин долотами диаметром 214 и 190 мм на морских площадях банка Дарвина и Артем-море.

Уменьшение отклоняющей силы на участке набора кривизны от приращения угла искривления Да равносильно снижению от­ клоняющей силы от уменьшения угла перекоса осей резьб отклони­

л а

теля на величину —— . И, наоборот, увеличение отклоняющей силы

на долоте на участке падения кривизны от приращения кривизны на Да равносильно повышению ее от увеличения указанного угла

кривленности ствола с приращением в 1° на 10 м проходки откло­ няющая сила увеличится на 33,3%'. На столько же эта сила умень­ шится, если отклоняющая компоновка будет находиться на участке набора кривизны с приращением угла искривления на ука­ занную величину.

93

Увеличение диаметра скважины по отношению к диаметру до­ лота приводит к снижению величины отклоняющей силы на долоте (рис. 26). Причем это снижение отклоняющей силы тем значитель­ нее, чем больше угол и приращение угла искривления ствола сква­ жины в интервале длины системы долото—турбобур. Так, например увеличение диаметра скважины по сравнению с диаметром 214-мм долота на 20% при бурении турбобуром Т12М1-65/8" и 146-мм кри­ вым переводником с а з = 2 ° снижает отклоняющую силу на 12% в вертикальном стволе и на 15% при угле искривления ствола сква­ жины 10°. Если же указанная отклоняющая компоновка находится в искривленном участке с приращением кривизны скважины в Г ,

то снижение отклоняющей силы от увеличения диаметра скважины на 20% по сравнению с диаметром долота составит 16% при а 0 = 0°

и25 % — при а 0 = 10°.

Врезультате снижения отклоняющей силы интенсивность фре­ зерования стенки скважины уменьшается в результате снижения удельной контактной нагрузки на стенку скважины. Вместе с тем увеличение диаметра скважины по сравнению с диаметром долота приводит к увеличению возможного приращения искривления ствола и искривления скважины вследствие асимметричного разру­ шения забоя. Поэтому уширение ствола скважины может привести как к уменьшению фактического приращения искривления сква­ жины, так и к его увеличению. Если при увеличении диаметра сква­ жины по сравнению с диаметром долота влияние уменьшения от­ клоняющей силы будет преобладать над влиянием увеличения искривления скважины в результате асимметричного разрушения забоя и повышения возможного приращения угла искривления скважины, то при этом фактическое приращение искривления сква­ жины будет уменьшаться. И, наоборот, оно будет увеличиваться, если при уширении влияние роста искривления скважины вследствие асимметричного разрушения забоя и возможного при­

94

ращения искривления будет преобладать над влиянием снижения отклоняющей силы на долоте.

Становится понятной причина, почему в процессе бурения с от­ клонителем ствол скважины искривляется с переменным прираще­ нием. Это вызывается тем, что при бурении с отклонителем помимо увеличения отрицательного влияния нормальной составляющей веса турбобура и долота [28] изменяется также величина откло­ няющей силы в результате изменения приращения угла искривле­ ния ствола и фактического диаметра скважины по сравнению с диа­ метром долота (которое в свою очередь изменяет процесс асиммет­ ричного разрушения забоя). Так же, как было показано выше, сни­ жается боковая фрезерующая способность долота.

Предельные значения отклоняющей силы и основных размеров отклоняющей компоновки

При проходке наклонных скважин, когда искривления ствола только вследствие асимметричного разрушения забоя торцом до­ лота недостаточно для достижения проектного отклонения, возни­ кает необходимость применения таких отклонителей, которые со­ здают на долоте отклоняющую силу и, тем самым, способствуют фрезерованию стенки ствола и более интенсивному искривлению скважины. Очевидно, что чем больше отклоняющая сила на долоте, тем при прочих равных условиях больше интенсивность разруше­ ния стенки и искривления скважины. Для достижения этого на практике стали увеличивать жесткость и угол искривления откло­ нителя и устанавливать над ним жесткие утяжеленные трубы. Та­ кие мероприятия при проходке наклонных скважин нормального диаметра с применением сравнительно жестких, 8, 9 и 10" турбо­ буров дали положительные результаты и способствовали увеличе­ нию приращения искривления скважины. Совершенно иная картина получилась, когда указанные мероприятия стали осуществлять при проходке наклонных скважин уменьшенных диаметров с примене­ нием относительно менее жестких турбобуров диаметром 7*/2 и 65/s". При этом не только не увеличилось приращение искривления сква­ жины, но даже в ряде случаев не были достигнуты увеличения угла искривления ствола и иногда имели место снижения угла ис­ кривления скважины, .хотя и отклонители устанавливались с целью увеличения угла искривления скважины. Такое положение может быть объяснено, тем что жесткость и угол перекоса осей резьб от­ клонителя не соответствовали жесткости и длине турбобура с доло­ том. При этом на долоте возникали чрезмерно большие отклоняю­ щие силы, которые привели к прогибу турбобура и качественному изменению процесса искривления скважины.

Таким образом, для успешной проходки наклонных скважин уменьшенных диаметров с применением менее жестких турбобуров выбор величины отклоняющей силы и основных размеров компо­ новки низа бурильной колонны является важным условием. Вели­ чина отклоняющей силы на долоте должна быть достаточной, чтобы

95

обеспечивалось более или менее интенсивное фрезерование стенки

Для упрощения задачи по определению критического значения отклоняющей силы жесткостью шейки турбобура пренебрегаем. При работе с турбобурами уменьшенных и малых диаметров такое упрощение не имеет существенного значения, поскольку на прак­ тике они применяются без переводника.

В этом случае выражение для определения стрелы прогиба от воздействия момента упругих сил, осевой нагрузки и нормаль­ ной составляющей собственного веса имеет вид [8 ]

Критическое значение прогиба турбобура, при котором прекра­ щается процесс искривления скважины, определяется из выраже­

Совместно решая уравнения (73) и (74) относительно Му, по­ лучаем

Выражение (75) представляет собой предельное значение мо­ мента упругих сил, при котором стрела прогиба турбобура дости­ гает критического значения и препятствует искривлению ствола скважины. Для того чтобы при работе с отклонителем было обес­ печено дальнейшее увеличение угла искривления ствола, величина момента упругих сил, возникающего в сечении изгиба отклонителя, не должна превышать величину Му, определенного по формуле (75). Из этой формулы вытекает ряд выводов.

1. Величина момента упругих сил в сечении изгиба отклони­ теля, при котором прогиб турбобура не превышает критического значения, имеет минимальное значение при забуривании наклон­ ного ствола (а о = 0 ); с увеличением угла искривления скважины она возрастает.

2. Величина предельного момента упругих сил может быть уве­ личена путем повышения жесткости турбобура, разности между диаметрами скважины и турбобура, и снижением осевой нагрузки на долото, и, что наиболее эффективно, уменьшением расстояния от долота до отклонителя.

96

Имея в виду, что My = PL, предельное значение отклоняющей силы для забуривания наклонного ствола определяют из выра­ жения

На рис. 27 представлена зависимость изменения критической величины отклоняющей силы от длины турбобура Т12М1-65 /8,/ при забуривании наклонного ствола долотами диаметром 214 и 190 мм для случая Р ос= 1 0 тс, при уширении ствола относительно диаметра долота на 1 0 % и при отсутствии уширения скважины.

Из формулы (76) и рис. 27 следует, что с увеличением разности между ди­ аметрами скважины, долота и турбо­ бура, снижением длины последнего и осевой нагрузки величина предельной отклоняющей силы, при которой пре­ кращается отклоняющая способность

Рис. 27. Изменение предельного (критического) значения отклоняющей силы в зависимости от длины турбобура с долотом:

компоновки, возрастает. Наибольшее влияние на величину пре­ дельной отклоняющей силы оказывает уменьшение расстояния от долота до отклонителя. При этом Рпр возрастает не пропорци­ онально уменьшению указанного расстояния в степени 3, а в боль­

Для определения предельных значений основных размеров низа бурильной колонны с отклонителем, при которых возможно искрив­

Уравнение (77) является исходным выражением, которое поз­ воляет определить предельные значения угла перекоса осей резьб отклонителя, длины турбобура с долотом и т. д. при данных раз­ мерах скважины, долота, турбобура, отклонителя и т. д. Для этого достаточно уравнение (77) решить относительно искомого пара­ метра.

Для случая бурения 214-мм долотом с турбобуром Т12МЗ-65/8"

146-мм кривом переводнике 3°15/, а при 178-мм кривом перевод­ нике— 2°05/. Если же бурение в указанных условиях осуществля­ ется 190-мм долотом, то в случае применения 146-мм кривого пере­ водника предельный угол перекоса осей резьб составляет 1°27'. Таким образом, чтобы в указанных условиях имело место искрив­ ление ствола, необходимо, чтобы угол перекоса осей резьб откло­ нителя был меньше 3° 15' и 2° 05' соответственно при работе 146 и 178-мм кривыми переводниками с 214-мм долотом и 1°27'— при работе 146-мм кривым переводником с 190-мм долотом.

Искривление ствола в случае приведенных значений угла пере­ коса осей резьб отклонителя возможно при условии, что длина турбобура с долотом будет меньше 8 м или же DC~>D.

Если в процессе бурения 214-мм долотом угол перекоса осей резьб кривого переводника диаметром 178 мм составит 2; 2.5 н 3°, то компоновка низа бурильной колонны будет обладать отклоня­ ющей способностью, если длина турбобура Т.^МЗ-б5,^" с долотом не превысит соответственно 8,2;- 6,9 и 5,7 м.

В случае же бурения 190-мм долотом и 146-мм кривым пере­ водником с углами перекоса осей резьб 2; 2,5 и 3° предельная длина турбобура Т12МЗ-65 /8" с долотом не должна превышать со­ ответственно 6,3; 5,0 и 4,2.

Полученные расчетные данные полностью подтверждаются ■ практикой проходки наклонных скважин 65/в" турбобурами с доло­ тами диаметром 214 и 190 мм. Так, например, в скв. 186 площади банка Дарвина при работе следующей компоновкой: 214-мм до­ лото, турбобур Т12М1-65/8", 178-мм кривой переводник с углом перекоса осей резьб 2° и 178-мм УБТ длиной 12 м не удалось ис­ кривить ствол скважины от вертикали в интервале более чем 150 м проходки. При этом длина турбобура с долотом составила

8,90 м.

В скв. 879 УБТ Туймазабурнефть при забое 692 м колонну за­ клинило оставленным в скважине долотом. Для ликвидации ава­ рии необходимо было забурить новый ствол. Использование компо­ новки, состоящей из 190-мм долота, нижней секции турбобура ТС4-65 /8" и 146-мм кривого переводника с углом перекоса осей резьб 3° (L = 8 м), не имело успеха. Ствол скважины удалось ис­ кривить и обойти конец залитой колонны благодаря применению нижней секции турбобура ТС4-5", т. е. после трехкратного увели­ чения зазора между стенкой скважины и турбобуром.

98

Условия для проектирования радиальных отклоняющих компоновок

Основное требование, предъявляемое к отклоняющим компо­ новкам, заключается в том, чтобы использовать их максимальную отклоняющую способность при минимально требуемых для этой цели отклоняющих силах на долоте. Величина этой силы должна быть в пределах оптимальных значений, обеспечивающих фрезеро­ вание стенки ствола в боковом направлении на возможную вели­ чину.

Чрезмерное увеличение отклоняющей силы на долоте затруд­ няет запуск забойного двигателя на забое, приводит к ненужной потере части вращающего момента на долоте, ухудшает условия работы трехшарошечного долота и способствует преждевременному выходу его из строя. Если иметь в виду, что с ростом глубины скважин энергетические параметры турбобуров снижаются и пока­ затели работы трехшарошечных долот ухудшаются вследствие ро­ ста сопротивляемости пород к разбуриванию, то станет ясным, что указанные выше нежелательные явления требуют к себе серьез­ ного внимания. Обеспечение этого условия является обязательным, так как увеличение величины отклоняющей силы выше определен­ ных значений, как будет показано ниже, не может привести к по­ ложительным результатам в смысле искривления ствола от своего первоначального направления. Это вызывается тем, что любая от­ клоняющая компоновка обладает ограниченной фрезерующей спо­ собностью в боковом направлении.

Если иметь в виду, что на практике проходки наклонных сква­ жин одинаковыми турбобурами, УБТ и бурильными трубами при­ меняются, например, кривые переводники с углом перекоса осей резьб 1—4° с интервалами через 0° 15', то станет очевидным, что применение такого разнообразия отклоняющих компоновок при бу­ рении в одинаковых условиях не может считаться оправданным и рациональным. Из этих многообразных отклоняющих компоновок рациональным для данных конкретных условий будет применение лишь одной.

Использование же остальных компоновок для этих условий бу­ дет менее эффективным.

Рассмотрим условия, которые позволяют определить оптималь­ ные величины отклоняющей силы на долоте.

Допустим турбобур с долотом и отклонителем находится в пря­ молинейно-наклонном стволе (рис. 28). Поскольку задача сводится к установлению предельных отношений показателей фрезерования стенки ствола и бурения скважины, считаем, что в процессе ра­ боты забойный двигатель не подвергается упругой деформации. Если углубление ствола в интервале LT происходило бы с искрив­ лением скважины только в результате асимметричного разрушения забоя, то верхняя кромка долота из точки А переместилась бы