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

в точку /12. В этом случае угол искривления скважины увеличился бы на величину

А если процесс искривления ствола будет сопровождаться фрезе­ рованием стенки скважины и при этом полностью будет исполь­ зована способность отклоняющей компоновки, то рост искривления скважины в интервале LT произойдет на величину

При этом верхняя кромка долота переместится из точки А в точку А3, а точка касания отклонителя — из точки В в точку В 1 . Однократно заштри­ хованный участок на рис. 28 характери­ зует долю искривления ствола вследствие асимметричного разрушения забоя, а дву­ кратно заштрихованный участок — вслед­ ствие фрезерования стенки ствола. По­ следняя определяется как разность ме­ жду Да/, и Actac, т. е.

Таким образом, при углублении ствола на величину LT долото, помимо разрушения забоя своей торцевой поверхностью на эту величину, также фрезерует стенку ствола своей боковой поверх­ ностью на величину А2А3. Поскольку приращение искривления ствола является максимально возможным и при этом корпус тур­ бобура упирается в верхнюю стенку скважины, препятствуя даль­ нейшему росту интенсивности искривления скважины, перемещение системы долото-—турбобур в боковом направлении будет предельно возможным. Поэтому в этом случае отношение показателей фрезе­ рования стенки ствола к показателям бурения будет предельным.

Имея в виду, что /гф= 1 т^ - - ^ , получаем

где t — время механического бурения интервала LT.

При этих условиях предельное (оптимальное) отношение пока­ зателей фрезерования стенки ствола к показателям бурения (при­ нято /r= L T)

На рис. 29 представлено изменение предельного отношения по­ казателей фрезерования стенки ствола к показателям бурения от длины турбобура Т^МЗ-б5^ с долотом диаметром 190-мм на 10 м проходки. С уменьшением длины турбобура и увеличением диа­ метра скважины по сравнению с диа­ метром долота оптимальное отношение показателей фрезерования стенки ствола к показателям бурения увеличивается.

Из рис. 29 и формул (83) и (84) сле­ дует, что даже при полном использова­ нии способностей отклоняющих компоно-

Рис. 29. Изменение отношения показателей фрезерова­ ния стенки ствола к показателям бурения в зависимости

вок в случае искривления ствола предельные значения боковой проходки и механической скорости бокового фрезерования по сравнению с показателями бурения представляют значительно ма­ лые величины. Например, при LT=10 м и DC= D предельные значе­ ния показателей фрезерования стенки ствола в процессе бурения 190, 214, 243 и 269-мм долотами с турбобурами соответственно Т12МЗБ-65/8", Т12МЗБ-772", Т12МЗБ-8" и Т12МЗБ-9" при полном использовании способностей отклоняющих компоновок в деле ис­ кривления скважины показатели фрезерования стенки ствола в пределе будут меньше показателей бурения соответственно в 205, 171, 147 и 122 раза.

Выявленные отношения могут служить основой одного из ва­ риантов выбора основного параметра искривления ствола—-вели­ чины отклоняющей силы. Поскольку показатели фрезерования стенки ствола в пределе значительно меньше показателей бурения, то это значит, что процесс искривления ствола при бурении с от­ клонителем необходимо проектировать так, чтобы стенки ствола разрушались медленнее, чем забой скважины. Ввиду того что ин­ тенсивность разрушения породы при прочих условиях характери­ зуется удельной контактной нагрузкой, из изложенного вытекает, что удельная контактная нагрузка на стенки скважины должна быть ниже удельной контактной нагрузки на забой скважины при­ мерно во столько же раз, во сколько иф и Лф меньше им и /г.

101

Повышение интенсивности разрушения стенки ствола выше ука­ занных пределов в делом не приведет к положительным результа­ там, так как интенсивность искривления ствола не увеличится. Мероприятия по повышению интенсивности разрушения стенки ствола возможны в отдельные, весьма короткие промежутки вре­ мени. Но поскольку возможности перемещения долота и отклоня­ ющей компоновки в боковом направлении ограничены, то в даль­ нейшем долото просто будет находиться в интенсивном трении со стенкой скважины, не производя при этом полезной работы по ис­ кривлению ствола. Это продолжится до тех пор, пока система не углубится на определенную величину, чтобы появилась возмож­ ность фрезерования стенки скважины. В результате получается, что долото будет фрезеровать стенку ствола неритмично. Это приводит к интенсивному износу и слому козырьков лап долота, преждевре­ менному выходу опоры из строя, износу периферийных зубьев ша­ рошек с тыльной стороны и уменьшению боковой фрезерующей способности долота.

Кроме того, для повышения интенсивности разрушения стенки ствола необходимо увеличить удельную контактную нагрузку на нее. Для этого надо пли увеличить отклоняющую силу, или сни­ зить боковую контактную поверхность его. Увеличение отклоняющей силы выше величин, исходящих из указанных условий, не выгодно, так как, с одной стороны, они ухудшают условия работы опоры шарошек долота, а с другой, — приводят к росту потери вращаю­ щего момента на дол.оте и соответствующему снижению доли вра­ щающего момента, расходуемого на разрушение забоя скважины. Снижение боковой контактной поверхности долота уменьшает его калибрующую и фрезерующую способности.

Таким образом, принимая, что интенсивность разрушения по­ роды при прочих равных условиях пропорциональна удельной кон­ тактной нагрузке, можно отметить, что для оптимального сочета­ ния параметров режима бурения и искривления ствола необхо­ димо, чтобы удельная контактная нагрузка на стенки ствола была меньше удельной контактной нагрузки на забой пропорционально выражениям (83) или (84), т. е.

Формула (8 6 ) для определения оптимальных значений откло­ няющей силы на долоте может быть представлена через механиче­ ские свойства разбуриваемых пород

102

ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА БУРИЛЬНЫХ ТРУБ И ТРЕХШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ ПРИ БУРЕНИИ НАКЛОННЫХ СКВАЖИН

Освоение больших глубин путем бурения глубоких скважин не­ разрывно связано с правильным учетом температурного фактора.

В пробуренных в СССР и США скважинах значения макси­ мальных температур составляют: на Северном Кавказе в Озексуатской группе нефтяных месторождений на глубине 2500-^3500 м — 140ч-170° С; в скважине Галюгаевская-I, пробуренной в ЧеченоИнгушетии на глубине 5500 м, отмечена температура в 190° С на глубине 5320 м. В наиболее глубоких скважинах США: скв. 1 Юниверсити на глубине 7724 м — 181° С; скв. 1 Румберже на глубине

7316 м — 182° и скв. 1 Монгомери на глубине 7136 м — 244° С [72].

Рост температуры с углублением скважины может существенно влиять на реологические свойства и охлаждающие способности промывочных жидкостей и .химических реагентов; на условия раз­ рушения горных пород; на работу долот, забойных двигателей, бу­ рильных труб и т. д. Поэтому для правильного выбора материа­ лов при изготовлении указанных элементов компоновки бурильной колонны и разработке мероприятий по обеспечению нормальных условий их работы необходимо установить примерные значения температуры нагрева их в процессе работы.

Экспериментальное определение температуры нагрева бурильных труб при бурении наклонных скважин

Увеличение температуры с ростом глубины бурения нефтяных и газовых скважин, помимо удлинения колонны бурильных труб влияет на свойства материала труб, ограничивает возможности применения ЛБТ, снижает стойкость антикоррозийных покрытий и резиновых предохранительных колец и может явиться причиной серьезных повреждений бурильных замков и труб. ЛБТ, выпуска­ емые в Советском Союзе и США, рекомендуется применять при

снижается. Повышение температуры даже в небольших пределах (20ч-50° С) ускоряет коррозионный процесс.

Высокая температура значительно ухудшает эффективность при­ менения антикоррозийных покрытий для бурильных труб. Напри­ мер, по данным канадской фирмы «Тюк Кот» надежность антикор­ розийного покрытия марки ТК-34 для предотвращения вредного воздействия на стенки труб сильно щелочных и прочих коррозий­

104

ных буровых растворов обеспечивается при температурах до 100° С и давлении до 560 кгс/см2 [84].

Также отрицательно влияние высокой температуры, когда бу­ рильная колонна работает с резиновыми протекторами для пре­ дохранения истирания кондуктора, промежуточных колонн и бурильных труб. При высоких температурах резиновые протекторы могут прийти в негодность, вследствие чего они не только не выпол­ нят свои функции, ио и приведут к нежелательным последствиям. Например, при бурении глубокой скважины Уолкер 1 в штате Техас (США) на глубине 4508 м после спуска 1" хвостовика 6 сут. ушло на ловлю пришедших в негодность резиновых протекторов, кото­ рые были надеты на бурильные трубы [12]. Протекторы пришли в негодность и отделились от бурильных труб в результате высо­ кой температуры (155° С) в скважине при разбуривании цемент­ ной пробки в 1" хвостовике. Ввиду этого от дальнейшего примене­ ния протекторов отказались.

Следовательно, при бурении глубоких скважин, когда ожида­ ются высокие температуры, для предотвращения или уменьшения износа кондуктора, промежуточных колонн и бурильных труб не­ обходимо применять предохранительные кольца, изготовленные из теплостойкой резины.

Условия бурения в наклонных скважинах значительно отлича­ ются от условий бурения в вертикальных скважинах. Ввиду на­ клона скважины колонна бурильных труб подвергается изгиба­ ющему моменту, а сила трения бурильной колонны о стенки сква­ жины или о стенки промежуточных колонн, в зависимости от угла искривления ствола, может достигать значительных величин [1 ]. Последнее обстоятельство, помимо износа колонны бурильных труб и замков, а также промежуточных колонн, может привести также

в результате резких перегибов ствола возникли серьезные повреж­ дения бурильных замков [18]. Металлографические исследования материала бурильных замков показали, что они, вероятно, подвер­ гались нагреву до температуры свыше 788° С и последующему ох­ лаждению. Все эти случаи произошли при бурении в мягких поро­ дах побережья Мексиканского залива. Вероятно, в процессе бу­ рения замки глубоко внедрялись в стенку скважины, вследствие чего было затруднено рассеивание тепла, выделяющегося при тре­ нии замков о стенку скважины. На основе данных кривизны сква­ жины подсчитано, что бурильные замки действовали на стенку скважины с силой порядка 2250 ч-2720 кгс.

Помимо установления общих закономерностей изменения темпе­ ратуры по стволу и на устье бурящейся скважины, необходимо также выяснить, какие факторы предопределяют температуру на­ грева колонны бурильных труб в процессе ее работы, возникает ли дополнительная температура или она характеризуется температу­ рой промывочной жидкости в скважине.

105

К настоящему времени каких-либо исследований по опрделению температуры, возникающей в бурильных трубах и замках, не проводилось. Автором совместно с А. X. Шахрамановым и Ю. В. Садыховым проведена первая попытка определения темпера­ туры нагрева колонны бурильных труб в процессе проходки на­ клонных скважин [27]. Для этой цели были использованы специаль­ ные термочувствительные краски, которые при определенной тем­ пературе, называемой температурой перехода или критической температурой, резко изменяют свой цвет. Скорость подъема темпе­ ратуры от 20° С до критической — 2 мин. По достижении поверх­ ностью критической температуры продолжительность ее воздейст­ вия от 30 с до 2 мин.

Отечественной промышленностью выпускаются термокраски следующих образцов: 1а, 2а, 3, 4, 8 , 6 а, 6 6 , 10, 12, 15 и 14. Они по­ зволяют замерять температуру окружающей среды в пределах от 45 до 610° С. Составив набор указанных термокрасок, можно опре­ делить температуру нагрева по шкале табл. 1 2 , построенной в по­ рядке возрастания температур. Погрешность определения макси­ мальной температуры нагрева исследуемой поверхности при по­ мощи указанных термокрасок составляет 10° С.

Таблица 12

Для определения температуры нагрева на обыкновенном пере­ воднике были высверлены четыре отверстия в диаметрально-про­ тивоположных направлениях (рис. 30). В отверстие диаметром 5 мм и глубиною 10 мм вставляется термоиндикатор, затем верх­

106

нее расширенное до 8 мм отверстие прикрывается тонкой стальной крышкой также диаметром 8 мм, а после завальцовывается с целью герметизации.

Термоиндикатор представляет собой тонкий лист латуни, на ко­ торый полосами нанесены все типы термокрасок. В соответствии с размером высверленных в переводнике отверстий разрезают лист по ширине. Для лучшей теплопередачи зазоры между термоинди­ каторами и стенками канала заполняются мелкими опилками или стружками латунного листа. Термокраски наносят на внутреннюю поверхность крышки.

Для выяснения возможности определения указанным способом температуры нагрева бурильного инструмента переводник с термонндикатором первоначально испытали в наклонной скв. 294 на

промывочной жидкости в период между спуско-подъемными опе­ рациями на указанной глубине составляла 63° С. Бурили в ука­ занном интервале долотом Б-269С, турбобуром Т12МЗ-9", УБТ диа­ метром 203 мм и длиной 12 м и бурильными трубами диаметром 140 мм при производительности насосов 324-38 л/с.

Ствол скв. 294 в интервале 0 4 - 1 7 0 0 м состоял из вертикального участка, а в интервале 1700-^2584 м — искривленного. Угол ис­ кривления скважины на глубине 2580 м 22° 30'.

После вскрытия термокамеры было установлено, что в процессе спуска и подъема колонны промывки скважины и бурения была обеспечена герметизация отверстий, где находились термоиндика­ торы. Анализ изменения цвета термокрасок показал, что макси­ мальная температура нагрева переводника на расстоянии 5 4 -10мм

в наклонной скв. 274 той же площади в интервалах глубин 27084 - 4-2716 м и 2 7 7 8 4 - 2 7 8 5 м. Параметры промывочной жидкости, ком­ поновка низа бурильной колонны, условия бурения и место уста­ новки переводника с термоиндикаторами те же, что и в скв. 294. Устьевая температура выходящей промывочной жидкости при ука­ занных глубинах и установившемся тепловом режиме составила 46° С, а максимальная забойная температура при отсутствии

107

циркуляции в период между спуско-подъемными операциями на; данной площади и в указанных глубинах составляла 67° С.

Ствол скв. 274 в отличие от скв. 294 имел меньший вертикаль­ ный участок (0ч-1300 м) и больший искривленный участок, кото­ рый вместе с тем характеризовался более высокой интенсивностью искривления ствола в интервале набора кривизны и большим от­ клонением от вертикали. Так, если в скв. 294 в интервале набора кривизны 17004-2150 м угол искривления был увеличен от 5° 45' до

в 2,25 раза больше, чем в скв. 294. Отклонение ствола от верти­ кали на глубине испытания переводника с термоиидикатором в скв. 274 составляло 390 м против 210 м в скв; 294. Эти обстоя­ тельства явились причиной того, что в данной скважине во время спуско-подъемных операций имело место более интенсивное тре­ ние между бурильной колонной и стенками скважины, вследствие чего была зафиксирована сравнительно большая температура на­ грева. Расшифровка изменения цветов термокрасок показала, что максимальная температура нагрева переводника оба раза в скв. 274 достигла 120° С (по изменению термокрасок типа 1а, 3 и 4).

Естественно, что температура на поверхности переводника вследствие контакта со стенкой скважины при спуске и подъеме по

от поверхности переводника. Учитывая, что максимальная забой­ ная температура в обоих скважинах не превышала 67° С, можно считать, что колонна бурильных труб в процессе их работы в на­ клонной скважине получила дополнительный нагрев.

Таким образом, опыты показали возможность использования термокрасок, выпускаемых отечественной промышленностью, для определения температуры нагрева бурильных труб в процессе их работы. При проходке наклонных скважин колонна бурильных труб в результате трения со стенкой скважины получает дополни­ тельный нагрев, который увеличивается с ростом интенсивности ис­ кривления ствола.

Температура нагрева беговых дорожек цапфы трехшарошечных долот при сварке пробки и лап

Анализ характера отработки трехшарошечных долот нормаль­ ных и уменьшенных диаметров показывает, что чаще всего преж­ девременному выходу из строя подвергается периферийная роли­ ковая опора. Было установлено, что'твердость периферийной роли­ ковой беговой дорожки у козырьков лап ниже, чем на остальных участках. Учитывая, что в процессе изготовления во время сварки пробки и лап трехшарошечные долота подвергаются нагреву, про­ водили исследования по определению возникающей при этом мак-

108

спмальной температуры н ее влияния на твердость периферийной роликовой дорожки.

Эксперименты проводили при сборке трехшарошечных долот Б-269С и Б-214С. В 'беговую дорожку каждой лапы долота вмон­ тировали термопару (горячий спай) и при помощи переключателя и гальванометра измеряли температуру нагрева. Исследования по­ казали, что температура нагрева беговых дорожек цапфы в про­ цессе сварки пробки выше, чем при сварке лап. Наибольшая тем­ пература нагрева возникает на периферийной роликовой дорожке со стороны козырьков лап. Максимальная температура нагрева на

указанном участке зависит от диаметра трехшарошечного долота, способа сварки и глубины утопления (длины) пробки.

В случае полуавтоматической сварки под слоем флюса макси­ мальная температура нагрева на периферийной роликовой до­ рожке цапф трехшарошечных долот Б-269С и Б-214С достигла со­ ответственно 140 и 210°С (рис. 31). Замеры показали, что если твердость роликовой дорожки до сварки составляла 58-1-60 HRC, то после сварки пробки они снизилась до 52-1-58 HRC. При наруж­ ном осмотре цапфы обнаружено, что на поверхности периферийной роликовой дорожки цапфы у козырька лап на площади примерно 50X10 мм цвет металла изменен. Это указывает на то, что в про­ цессе сварки пробки на указанном участке происходит местный на­ грев и твердость его уменьшается до 52 HRC.

В случае сварки пробки долота Б-269С на глубине 30 и 25 мм при силе тока соответственно 400 и 320 А максимальная темпера-

109