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

ния ствола, запускался (иногда после некоторого расхаживания), но затем при повороте на некоторый угол для установки компо­ новки в требуемом направлении с целью исправления азимута скважины останавливался. Это является следствием увеличения от­ клоняющей силы на долоте при повороте компоновки на некоторый угол относительно направления искривления скважины.

Из совместного решения выражений (94) и (120) относительно

.Мд получим

Зависимость между скоростью вращения вала турбобура и от­ клоняющей силой на долоте выводится из уравнения (120) и имеет

представляет собой разгонное число оборотов турбобура при РОт= 0. Обозначив

силы число оборотов вала турбобура снижается с интенсивностью углового коэффициента К. При точных расчетах следует иметь в виду, что с увеличением Р0т величина коэффициента К повы­ сится в результате снижения числа оборотов вала турбобура и по­

т. е. К представляет собой сброс числа оборотов вала турбобура при увеличении Р 0т на 1 кгс.

Зависимость вращающего момента на долоте от скорости вра­

150

Мощность на долоте

Мд

975

Выражения мощности на долоте через отклоняющую силу и число оборотов вала турбобура

^ й==~&7Е~X

в зависимости от отклоняющей силы имеют аналогичный характер, что и в зависимости от осевой нагрузки на долото. Разница за­ ключается в том, что работа турбобура от холостого режима до тормозного протекает при кратно меньшем диапазоне отклоняю­ щей силы, оптимальные знаяения вращающего момента и мощно-

151

стн значительно меньше возможных величин. Это объясняется тем, что турбобур в рассматриваемых условиях (Я0с = 0) работает по­ стоянно под действием осевой нагрузки на пяту сверху вниз, т. е. не разгружается.

Полученные зависимости выражают комплексную характери­ стику процесса зарезки нового ствола ОТДС (отклонитель—тур- ■ бобур—долото—стенка ствола) при отсутствии осевой нагрузки на долото.

Характеристика турбобура при бурении наклонных скважин

При работе турбобура, вследствие потерн мощности и момента на трение в упорном резнноподшипнике (пяте) и радиальных опо­ рах, зависимости N(n) и М(п) отличаются от таковых для тур­ бины. На эти зависимости оказывают влияние модель п состоя­ ние турбобура и долота, механические свойства проходимых по­ род. Поэтому их называют комплексными характеристиками про­ цесса турбинного бурения ТДЗ (турбобур—долото—забой).

Установлению этих зависимостей посвящен ряд работ [66, 71, 76 н др.]. Однако все они рассматривают случаи бурения верти­ кального ствола, когда на долото действует только осевая на­ грузка. Поэтому установленные в этих работах зависимости не

также отклоняющая сила. В этих случаях одновременно разруша­ ется забой п фрезеруются стенки ствола.

Наличие отклоняющей силы на долоте вызывает дополнитель­ ные потери мощности п момента на преодоление сопротивлений, связанных с процессом фрезерования стенки ствола боковой по­ верхностью долота, а также увеличением трения в радиальных опорах турбобура.

Практика проходки наклонных скважин показывает, что при работе с отклонителем по сравнению с обычным бурением облицо­

боте 65/s" укороченными турбобурами для зарезки и интенсивного искривления ствола после 3—5 рейсов с отклонителем облицовоч­ ная резина ниппеля выходит из строя.

Указанные явления, возникающие вследствие наличия откло­ няющей силы на долоте, будут существенно влиять на рабочие ха­ рактеристики турбобура. Поэтому комплексная характеристика процесса турбинного бурения наклонных скважин, т. е. с наличием отклоняющей силы па долоте, ОТДЗС (отклонитель—турбобур— долото—забой—стенка ствола) будет отличаться от комплексной характеристики турбинного бурения вертикальных скважин ТДЗ.

152

Определим характеристику турбобура в случае бурения на­ клонных скважин с наличием отклоняющей силы на долоте.

При бурении наклонных скважин развиваемый турбиной тур­ бобура вращающий момент М также характеризуется зависимо­ стью (111). Вращающий момент на долоте Ма при совместном действии осевой нагрузки и отклоняющей силы определяют по формуле (99).

Подставив в уравнение (111) значения М, Мк, Мпп и Мпр из выражений (119), (99), (133) и (134), принимая во внимание обо­ значения А, В 1 и В>, окончательно получаем

MT(l — ^-^— М0-\-А ± 5 ,Р г + (Жуд ± 5]) Р 0<.-\-{МУь-\-В^) Рот.

(135>

Уравнение (135) позволяет получить основные параметры хо­ лостого, тормозного и рабочего режимов работы турбобура при наличии пли отсутствии на долоте отклоняющей силы и осевой на­ грузки.

гонного числа оборотов над устьем скважины и над забоем при Рот = 0 вследствие трения и фрезерования стенки скважины. В этом случае (п = п')

153-

отклоняющей силы и осевой нагрузки, при которых наступает ос­ тановка турбобура (тормозной режим)

Мт - М0 - А + Д ,РГ - (м 'ул + В ,) р 0с

(137)

Жуд + СВ2

Мт - М0 - А ± Д ,рг - (М"УЛ+ в 2) р 0т

(138)

М уд ± В 1

Формулы (137) и (138) могут характеризовать тормозной ре­ жим работы турбобура для условий бурения в крепких породах, когда по мере увеличения Рот и Р ос будет иметь место плавное снижение числа оборотов вала турбобура вплоть до полной оста­ новки. Однако в практических условиях, в особенности при буре­ нии мягких пород, после достижения некоторого минимального числа оборотов пт1п в случае дальнейшего незначительного уве­ личения нагрузки на долото наступает остановка турбобура. Та­ кая картина более наглядно проявляется в процессе работы с от­ клонителем и при разбуривании глинистых пород. Поэтому тор­ мозной режим работы турбобура в таких условиях должен быть определен при условии n = nmin

В выражениях (137) — (140) коэффициенты трения ц0 и |л„ должны соответствовать состоянию покоя.

Вращающий момент на долоте при турбинном бурении с на­ личием отклоняющей силы определяют из совместного решения уравнений (99) и (135)

М ' у д ± В \

Скорость вращения вала турбобура в зависимости от отклоняю­ щей силы и осевой нагрузки определяют из уравнения (135)

154

Примем следующие обозначения:

а значение К2— от коэффициента трения ц;, то при точных расче­ тах изменение скорости вращения вала турбобура от осевой на­ грузки и отклоняющей силы будет отличаться от линейной зави­ симости.

Ввиду того что в процессе бурения наиболее переменным ре­

Wo' ==2^ 7 j5ljDr;

(146>

п = t i p + П о , — К 2 Р 0 т — К 1P U L .

III. Р о с = Р г

по

п 0 = П о = П р - \ — ? р - ;

(147)

п = п г= п р-|— ^ — К2Рот — К \Р Т.

155

Коэффициенты К.2 и Ki характеризуют изменение скорости вра­ щения вала турбобура в зависимости от отклоняющей силы п осе­ вой нагрузки при данных условиях бурения. Решив относительно Ко п К I выражение (144), получим

няющей силы будет больше, чем на единицу осевой нагрузки, т. е.

К 2> К г

Из равенств (145) и (146) следует, что К \< К " . Следова­

тельно, сброс числа оборотов вала турбобура на единицу осевой нагрузки при одинаковой Р0т в интервале нагрузок 0 ч-Рг будет меньше, чем в интервале нагрузок Рг+ Ртос.

Из формулы (144) п значения коэффициента Kz следует, что увеличение отклоняющей силы на долоте в любом диапазоне мо­ жет привести лишь к снижению числа оборотов вала турбобура. Иной характер носит увеличение осевой нагрузки на долото. Если при Р0С> Р т скорость вращения вала турбобура может только сни­ жаться, то при Р„с< Р т она может изменяться как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, а также оставаться без изменения. Это будет зависеть от технической характеристики тур­ бобура и долота, механических свойств породы.

При Л1' > 5 i коэффициент К \ > 0 и с увеличением осевой на­

вала турбобура в пределах осевой нагрузки остается неизменной величиной. При ЛГ < B i коэффициент К[ < 0 , поэтому скорость

вращения вала турбобура с увеличением осевой нагрузки в преде­ лах 0 -т-Рг растет, достигая максимума при Рос = Рг(п = /гг) .

Зависимость вращающего момента на долоте от числа оборо­ тов при бурении с наличием отклоняющей силы определяют из выражений (99) и (144).

156

Зависимости мощности на долоте через отклоняющую силу, осе­ вую нагрузку и число оборотов представляют в виде

Полученные аналитические зависимости выражают комплекс­ ную характеристику процесса турбинного бурения наклонных сква­ жин с наличием отклоняющей силы на долоте.

Рис. 52. Зависимости энергетических па­ раметров турбобура от осевой нагрузки при отсутствии и наличии отклоняющей силы на долоте:

а — Рот = 0; б — Рот = 500 кгс

На рис. 52 представлены зависимости энергетических парамет­

н Рот = 500 кгс).

Из рис. 52 следует, что наличие отклоняющей силы на долоте приводит к значительному сужению области устойчивой работы турбобура. Так, например, если считать, что турбобур Т12МЗБ-65/8" с долотом ОМ-190С при расходе промывочной жид­ кости 30 л/с устойчиво работает в диапазоне скорости вращения 400—700 об/мин, то при отсутствии отклоняющей силы на долоте возможно бурение с осевыми нагрузками на долото 6,5— 10,1 тс с вращающими моментами на долоте 76— 112 кгс - м и мощностью 45,7—54,1 кВт. В случае наличия на долоте отклоняющей силы в 500 кгс бурение в области 400—700 об/мин возможно при осевых

в среднем снижает осевую нагрузку на долото, вращающий мо­ мент и мощность соответственно в 1,96, 1,20 и 1,25 раза. Очевидно, что такое значительное сужение области устойчивости работы тур­ бобура приведет к существенному уменьшению механической скорости бурения и проходки на долото. Это положение вполне

157

ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАКЛОННЫХ СКВАЖИН УМЕНЬШЕННЫХ И МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ

Допустимая интенсивность искривления ствола, обеспечивающая нормальную эксплуатацию турбобуров

При проходке наклонных скважин, особенно уменьшенных и малых диаметров, бурение с отклонителем и на прямой трубе осу­ ществляется турбобурами различных длин.

Для нормальной эксплуатации турбобуров в процессе проходки наклонных скважин необходимо соблюдение следующих двух ус­ ловий [11, 32]: а) корпус турбобура после пропуска через искрив­ ленный участок не должен иметь остаточных деформаций; б) до­ полнительные нагрузки при подъеме и спуске колонны, определяе­ мые упругими деформациями корпуса турбобура при пропуске через искривленный участок, не должны достигать больших вели­ чин.

Эти условия будут обеспечены, если при бурении с отклоните­ лем набор интенсивности искривления ствола будет осуществлен с учетом того, что в дальнейшем в процессе бурения на прямой трубе будут использованы турбобуры большей длины.

Правильный выбор величины допустимой интенсивности ис­ кривления ствола во многом предопределяет эффективность про­ ходки наклонных скважин. Если интенсивность искривления ствола превысит допустимую величину ее, то это приведет к за ­ тяжкам и посадкам бурильной колонны в течение спуско-подъем­ ных операций, увеличит возможности ее прихвата и появления остаточных деформаций в турбобуре, УБТ и т. д. Если же интен­ сивность искривления скважины будет значительно меньше допу­ стимой ее величины, то это приведет к росту интервала бурения с отклонителем и к снижению технико-экономических показателей бурения.

Поэтому интенсивность искривления ствола должна обес­ печивать достижение необходимого угла искривления скважины за минимальное количество рейсов с отклонителем и вместе с тем проходку скважин без осложнений.

Ввиду того что в компоновке низа бурильной колонны наиболь­ шей жесткостью обладает турбобур, величина допустимой интен­ сивности искривления скважины при бурении под эксплуатацион­ ные колонны предопределяется проходимостью системы долото— турбобур.

159