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

(Меньше сопротивляемости пород стенок скважины к разруше­ нию. В этом случае фрезерования стенок скважины не происходит, отклонитель просто слегка прижимает долото к стенке скважины. Кроме того, искривление ствола только вследствие асимметричного разрушения забоя возможно также при наличии отклоняющей силы значительной величины, когда долото теряет свою боковую фрезерующую способность в результате потери калибрующего диаметра. Обычно это может происходить к концу рейса, когда вследствие потери завеса шарошек и возникновения значительного осевого и радиального люфта шарошек диаметр долота становится равным диаметру его корпуса. В силу этого долото уже не обла­ дает боковой фрезерующей способностью и независимо от вели­ чины отклоняющей силы фрезерования стенки ствола не произой­ дет, а будет иметь место интенсивное трение корпуса долота о стенки скважины. Ствол искривится только вследствие асиммет­

1. Улучшение условий запуска турбобура и максимальной пе­ редачи мощности и вращающего момента на процесс разрушения забоя (углубление скважины).

2. Улучшение условий работы опор трехшарошечного долота и повышение его долговечности, так как при этом отсутствует дей­ ствие на опоры знакопеременной силы, вследствие чего условия их работы не отличаются от условий работы в вертикальных сква­ жинах.

3. Снижается интенсивность износа периферийных зубьев, ша­ рошек и потеря диаметра долота, так как в этом случае отсутст­ вует эффект фрезерования стенки скважины. Потеря диаметра долота будет происходить лишь за счет износа тыльной части пери­ ферийных зубьев шарошек вследствие калибровки стенки сква­ жины, а величина осевого люфта не будет влиять на фактический диаметр долота, так как шарошки под влиянием равнодействую­ щей силы от осевой нагрузки и нагрузки от вращающего момента постоянно прижаты к стенке скважины.

4.Интенсивность искривления скважины не зависит от пара­ метров режима бурения и механической скорости проходки, поэ­ тому бурение можно осуществлять с максимальной скоростью про­ ходки.

5.Ввиду отсутствия момента упругих сил возможности упругой деформации турбобура, а следовательно, степень ухудшения его характеристики снижаются. Это имеет особо важное значение при бурении турбобурами уменьшенных и малых диаметров.

Недостатком искривления скважины только за счет асиммет­ ричного разрушения забоя является небольшая величина прира­ щения угла искривления скважины. Это приводит к увеличению интервала бурения с отклонителем, а следовательно, объема работ

30

и затрат, связанных с применением отклоняющих приспособле­ ний.

Следует также отметить, что искривление скважины за счет асимметричного разрушения забоя в результате отсутствия откло­ няющей силы на долоте возможно лишь в тех случаях, когда от­ клонители используются для увеличения угла искривления сква­ жины и изменения азимута искривления в пределах 0 4-90° и 270ч-360° относительно азимута скважины, т. е. когда угол уста­ новки отклонителя относительно азимута скважины изменяется в пределах 04-90° и 270-4-360°. Если же отклонитель используется для уменьшения угла искривления скважины или изменения ази­ мута в пределах 904-270°, то в этих случаях на долоте возникает отклоняющая сила от нормальной составляющей веса системы до­ лото—турбобур. Поэтому общее приращение искривления сква­ жины в данном случае будет больше, чем когда отклонитель уста­ навливается в пределах 04-90° и 2704-360° относительно азимута искривления скважины. Отклоняющая сила на долоте возникает также при искривлении ствола при выходе из прямолинейного участка.

Принято считать, что искривление ствола в результате асим­ метричного разрушения забоя происходит по дуге окружности с радиусом, зависящим от геометрических размеров системы до­ лото-—турбобур

где LT — длина турбобура с долотом в м; D — диаметр долота в м; с?т —-диаметр турбобура в м.

Такое положение является справедливым для условий бурения в крепких породах и сравнительно жесткими турбобурами, т. е. когда диаметр скважины равен диаметру долота и турбобур не изогнут.

Если бурят в порода» мягкой и средней твердости, то фактиче­ ский диаметр скважины превышает диаметр применяемого долота на величину коэффициента уширения ствола. При работе турбобу­ рами уменьшенных и малых диаметров, ввиду их значительно меньшей жесткости, они могут иметь или первоначальную искрив­ ленность, или упруго деформироваться в процессе бурения под действием возникающих продольных и поперечных нагрузок. По­

размеров системы долото—турбобур, будет зависеть также от со­ стояния этой системы и диаметра скважины.

Если турбобур изогнут, то плоскость искривления его может, занимать относительно плоскости изгиба отклонителя любое поло­ жение. Рассмотрим случай, когда турбобур своей выпуклостью направлен в сторону искривления ствола. Изменение плоскости ис­ кривления турбобура относительно плоскости изгиба отклонителя

31

учтем путем ввода соответствующего коэффициента. Если диаметр скважины несколько больше, чем диаметр долота, то при искривлении скважины в результате асимметричного разрушения забоя, когда отсутствует отклоняющая сила, ось долота будет сов­ падать с осью скважины (рис. 3, а), а при наличии отклоняющей силы долото будет прижато к верхней стенке скважины (рис. 3,6). Поэтому радиус и приращение угла искривления скважины вследст­ вие асимметричного разрушения забоя в обоих случаях будут раз­ личными.

Рис. 3. Схема искривления ствола в результате асимметричного разрушения забоя: а — при отсутствии отклоняющей силы; б — при наличии отклоняющей силы

Согласно рис. 3 и теоремы о среднепропорциональном отрезке можно написать

в м; h — наибольшее расстояние от корпуса турбобура до нижней стенки скважины в м.

Радиус искривления оси ствола скважины

R om =R + 0 ,5 D C.

Ввиду того что величина радиуса ствола скважины 0,5Dc мала по сравнению с величиной радиуса искривления, можно принять,

ЧТО Я о с и ~ Я -

Определим величину /г для указанных выше двух случаев. Случай I. Искривление скважины происходит за счет асиммет­

ричного разрушения забоя при отсутствии отклоняющей силы на долоте. В этом случае (см. рис. 3, а)

Л= 0 ,5 (Dc — dT) — Z.Tsin О,

32

где 0 — угол поворота торцевой плоскости долота от прогиба тур­ бобура в градусах.

Так как величина угла 0 не может превышать 4—5°, то можно принять sin 0= 0 180JT . Если считать, что турбобур изогнут по дуге

окружности, то угол 0 и стрела прогиба f связаны между собой за ­ висимостью

4F 180

Следовательно,

Л= 0 ,5 (D c — dr) — 4rf.

Приведенное значение h соответствует случаю, когда выпук­ лость турбобура совпадает с направлением изгиба отклонителя, т. е. угол между ними т|) = 0. Если же плоскость искривления турбо­ бура относительно плоскости изгиба отклонителя будет занимать произвольное положение, то влияние прогиба турбобура будет про­ порционально cos rjj.

Тогда

h= 0 ,5 (D c—dT) —4 / cos ij».

Учитывая, что значение h2 мало по сравнению с R и L2, можно

с достаточной для практических целей точностью пренебречь им. Тогда радиус искривления

скважины на 10 м проходки в результате асимметричного разруше­ ния забоя при отсутствии отклоняющей силы на долоте

от угла между плоскостью изгиба отклонителя и направлением ис­

угла ij) помимо изменения угла искривления ствола изменится ази­ мут скважины. Причем, если угол я|) изменяется в пределах 0—90° и 270—360°, то прогиб турбобура, наряду с изменением азимута, будет способствовать снижению приращения угла искривления скважины. А если угол ij; изменяется в пределах 90—270°, то прогиб турбобура наряду с изменением азимута будет способствовать уве­ личению приращения угла искривления скважины.

Поскольку наибольшее снижение приращения угла искривле­ ния скважины от прогиба турбобура имеет место при ф= 0°, то в данном случае в результате определенных критических значений стрелы прогиба f возможно качественное изменение процесса искривления ствола вследствие аоимметричного разрушения за ­ боя. При этом могут быть следующие три варианта:

В первом случае произойдет увеличение угла искривления сква­ жины, так как несмотря на прогиб турбобура ось долота составляет с осью скважины положительный угол. Во втором случае произой­

Случай II. Долото касается верхней стенки скважины, т. е. ствол искривляется при отклоняющей силе на долоте, величина которой такова, что удельная контактная нагрузка в боковом направле­ нии значительно меньше сопротивляемости проходимых пород к разрушению в боковом направлении, вследствие чего стенки сква­ жины не фрезеруются. Если же в процессе бурения с отклонителем стенки ствола будут фрезероваться, то при этом рассматривается лишь доля искривления ствола в результате асимметричного раз­ рушения забоя.

Величина h для этого случая (см. рис. 3, б) равна h = D c —0,5 {D-\-dr) — Z.Tsin в.

Аналогично изложенным выше рассуждениям можно написать h = D c —0,5 (D + rfT) — 4/соэф .

Тогда радиус и приращение угла искривления скважины за счет асимметричного разрушения забоя

L\

^= 2 D C — D — dT — 8 f cos ф ’

Д<4=573 2Dc — Д — —8/ cos 4 _

■^T

Из выражений (7) и (9) следует, что при увеличении диаметра скважины по сравнению с диаметром долота приращение угла ис­ кривления скважины в результате асимметричного разрушения забоя возрастает. Причем этот рост приращения угла искривления скважины вследствие асимметричного разрушения забоя от увели­ чения соотношения диаметров скважины и долота происходит бо­

34

лее интенсивно при совместном действии опрокидывающего мо­ мента и фрезерования стенки скважины, чем при действии только опрокидывающего момента (рис. 4). Так, например, увеличение диаметра скважины по сравнению с диаметром долота в 1,2 раза приводит к росту приращения угла искривления скважины в ре­ зультате асимметричного разрушения забоя при бурении 190-мм долотом и турбобуром Л йМ Ьб5^ в 2,83 раза в случае отсутствия на долоте отклоняющей силы и в 4,84 раза — в случае наличия от­ клоняющей силы (без эффекта фрезерования стенки ствола).

При значении угла ф= 0 критические значения прогиба турбо­ бура, вызывающие качественные изменения процесса искривления за счет асимметричного разрушения забоя, следующие:

В первом случае ось долота составляет с осью скважины угол больше 0. Поэтому скважина искривится как в результате асим­ метричного разрушения забоя, так и в результате фрезерования стенки скважины (если долото обладает боковой фрезерующей способностью).

Во втором случае ось долота совпадает с осью скважины. По­ этому асимметричного разрушения забоя не произойдет. Искривле­ ние скважины при этом возможно лишь исключительно вследствие фрезерования стенки скважины.

В третьем случае ось долота составляет с осью скважины угол меньше нуля. При этом забой асимметрично разрушится, но в на­ правлении уменьшения угла искривления скважины. Изменение угла искривления скважины будет зависеть от соотношений ин­ тенсивности фрезерования стенки скважины в направлении увели­ чения угла искривления ствола и отрицательного асимметричного разрушения забоя в направлении уменьшения угла искривления ствола. Если интенсивность фрезерования стенки скважины будет преобладать над интенсивностью искривления ствола от отри­ цательного асимметричного разрушения забоя, то при этом общее приращение угла искривления скважины будет иметь поло­ жительное значение и угол искривления скважины увеличится.

рошечного долота после некоторого времени работы, когда долото касается стенки скважины своим корпусом.

2. Как вследствие асимметричного разрушения забоя, так и фрезерования стенки скважины.

Если же в процессе работы с отклонителем турбобур имеет про­ гиб, то помимо указанных двух вариантов искривления ствола воз­ можен также третий вариант, при котором искривление ствола происходит только за счет фрезерования стенки скважины.

В случае достаточной величины отклоняющей силы и боковой фрезерующей способности долота корпус турбобура будет упи­

раться в выпуклую стенку сква­ жины, в направлении которой про­ исходит искривление ствола, и тем самым, ограничивать величину минимального радиуса и возмож­ ного приращения искривления скважины. При этом минималь­ ный радиус искривления сква­ жины [11]

„0,1711? <">

с применением турбобуров уменьшенных и малых диаметров при

цессе работы с отклонителем ствол скважины искривляется по па­ раболической кривой. Для практических целей можно принять, что на участке длины системы долото—турбобур искривление проис­ ходит по дуге окружности.

Согласно рис. 5 и теореме о среднепропорциональном отрезке радиус искривления ствола [11, 14, 32]

37,

Выражения (14) и (15) для определения значений соответст­ венно R и Даю могут быть значительно упрощены, причем точность результата будет вполне достаточна для практических расчетов. Имея в виду, что стрела прогиба f отличается от прогиба турбо­ бура у на расстоянии a2=0,41LT незначительно, можно написать

0,171/.?

с учетом изменения также азимута скважины можно пользоваться выражением (10).

При определенных критических значениях прогиба турбобура f возможно качественное изменение процесса искривления ствола скважины. Это положение вытекает вследствие изменения взаим­

В первом случае произойдет увеличение угла искривления ствола, так как точки А, С и В будут расположены на дуге, напра­ вленной своей выпуклостью вниз. При этом искривление ствола может произойти как в результате асимметричного разрушения за ­ боя, так и фрезерования скважины. Во втором случае будет иметь место стабилизация угла искривления ствола, так как точки А, С и В будут располагаться на прямой АВ. Причем процесс фрезеро­

38

вания стенки ствола в сторону увеличения искривления скважины будет полностью компенсироваться процессом отрицательного асимметричного разрушения забоя в сторону снижения искривле­ ния скважины. В третьем случае произойдет уменьшение угла ис­ кривления скважины, так как точки А, С \\ В будут располагаться на дуге, направленной своей выпуклостью вверх. При этом процесс отрицательного асимметричного разрушения в сторону снижения искривления ствола будет играть преобладающую роль, а фрезе­ рования стенки ствола в сторону увеличения искривления сква­ жины или не произойдет, или будет иметь незначительное значение.

Из приведенных выражений следует, что с увеличением диа­ метра скважины относительно диаметра долота критические значе-

Рис. 6. Изменение критического значения прогиба турбо­

ния прогибов турбобура увеличиваются. Чем больше диаметр сква­ жины по сравнению с диаметром долота, тем при больших значе­ ниях прогиба турбобура будут происходить качественные измене­ ния процесса искривления скважины (рис. 6).

Таким образом, если в процессе работы с отклонителем при определенных сочетаниях момента упругих сил и осевой нагрузки турбобур упруго деформируется, а его прогиб, достигнув критиче­ ского значения, будет препятствовать искривлению скважины, то эта же компоновка при аналогичных сочетаниях момента упругих сил и осевой нагрузки и одинаковой величине прогиба турбобура, находясь в скважине с несколько большим диаметром, будет об­ ладать отклоняющей способностью и искривлять ствол скважины.

Детально рассмотрим и расшифруем первый случай, когда, не­ смотря на прогиб турбобура, возможно увеличение угла искривле­ ния ствола. Характер искривления ствола будет зависеть от поло­ жения оси долота относительно оси скважины. Поэтому первый случай искривления ствола в свою очередь может быть разделен на три варианта:

1)/ < 0,25DC— 0,125 (£>+dT);

2)/= 0 ,2 5 D C—0,125 (D-\-dT);

3)0,25DC- 0,125 (D + tfT) < / < 0,43DC+0,30D - 0,73dT.

39