27. Отклоняющие устройства для искривления скважин. Ориентирование отклоняющих систем на забое. Методы управления траекториями стволов в наклонных скважинах.

Назначение отклоняющих устройств — создание на долоте отклоняющего усилия или наклона оси долота к оси скважины с целью искусственного искривления ствола скважины в заданном или произвольном направлении. Их включают в состав компоновок низа бурильных колонн. При этом они отличаются своими особенностями и конструктивным выполнением.

При бурении наклонно - направленных и горизонтальных скважин с забойными двигателями в качестве отклоняющих устройств применяют турбинные отклонители, отклонители на базе винтовых забойных двигателей, механизмы искривления МИ (в электробурении), отклонители с накладкой, забойные двигатели с эксцентричным ниппелем и другим элементом на ниппеле. В роторном бурении - отклоняющие клинья, шарнирные отклонители и т. п. При безориентированном бурении забойными двигателями и роторным способом для управляемого изменения зенитного угла при постоянстве азимута скважины в качестве отклоняющего устройства используются прямолинейные компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК) с центраторами (стабилизаторами) и калибраторами с параметрами, обеспечивающими заданное изменение зенитного угла ствола скважины на интервале бурения с КНБК. При бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин на нефтяных и газовых месторождениях России используются следующие виды отклонителей в составе:

1) долото диаметром 295,3 мм, одна секция турбобура ТСШ-240 (А9ГТШ, Т12РТ-240), искривленный переводник, утяжеленная бурильная труба (УБТ) диаметром 478 или 203 мм;

2) долото диаметром 215,9 мм, винтовой забойный двигатель ДЗ-172 или Д5-172, искривленный переводник, УБТ диаметром 478 мм;

3) долото диаметром 295,3 мм, турбинный отклонитель ТО2-240;

4) долото диаметром 215,9 мм, турбинный отклонитель ТО2-195;

5) долото диаметром 215,9 мм, шпиндель-отклонитель ШО1-195, одна или две турбинные секции турбобура диаметром 195 мм;

6) долото диаметром 215,9 мм, шпиндель винтового забойного двигателя (ДЗ-172, Д5-172), искривленный переводник, рабочая пара двигателя;

7) долото диаметром 215,9 мм, шпиндель винтового забойного двигателя (Д2-195), искривленный переводник, рабочая пара двигателя;

8) долото диаметром 190,5 мм, турбинный отклонитель ТО-172;

9) долото диаметром 215,9 мм, шарнирный забойный двигатель-отклонитель ОШ-172, шарнир сферического типа.

По длине направляющей секции — части отклонителя от долота до искривленного переводника - все отклонители можно разделить на две группы. К отклонителям с упругой направляющей секцией относятся все отклонители, у которых искривленный переводник расположен над забойным двигателем или секцией турбобура. У отклонителей с жесткой направляющей секцией искривленный переводник установлен непосредственно над шпинделем. Отклонители типов 1 и 2 являются упругими; отклонители типов 3-9 - жесткими. Кривой (искривленный) переводник - обязательный элемент отклонения при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин. Для упругих отклонителей он представляет собой патрубок из УБТ той же длины, что и обычный переводник, с пересекающимися осями присоединительных резьб. Резьбу с перекосом 1-4° нарезают в основном на ниппеле, в отдельных случаях на муфте. Кривой переводник в сочетании с УБТ длиной 8-24 м крепят непосредственно к турбобуру или винтовому забойному двигателю (ВЗД). Большая жесткость кривого переводника способствует возникновению в сечении изгиба отклоняющей компоновки момента упругих сил значительных величин и, как следствие, повышенной отклоняющей силы на долоте. Вследствие этого увеличивается интенсивность фрезерования стенки ствола, что приводит к росту темпа искривления скважины и зенитного угла. Вместе с тем, при работе с кривым переводником увеличивается возможность упругой деформации турбобуров, что ухудшает их энергетические параметры, снижает возможную интенсивность искривления ствола и в определенных условиях может привести к потере отклоняющей способности компоновки. Поэтому кривые переводники не рекомендуется применять с турбобурами увеличенных длин и с большими углами перекоса осей резьб. Их обычно применяют в сочетании с односекционным, укороченным или короткими турбобурами. Интенсивность искривления ствола при использовании кривого переводника зависит от геометрических размеров элементов отклоняющей компоновки, жесткости и веса забойного двигателя и установленных над ним УБТ, диаметра скважины, режима бурения, боковой фрезерующей способности буровых долот и физико-механических свойств разбуриваемых пород. Кривой переводник в сочетании с односекционным турбобуром позволяет осуществить набор зенитного угла до 40-45°, в сочетании с укороченным турбобуром - до 50-55°, а в сочетании с коротким турбобуром - до 90° и выше. При этом интенсивность искривления ствола достигает соответственно 1—2, 4—5 и 5—6° на 10 м.

Кривой (искривленный) отклонитель Р-1 с двумя перекосами присоединительных резьб представляет собой отрезок УБТ, оси присоединительных резьб которой имеют перекос в одной плоскости и в одном направлении относительно ее оси. Угол, образованный осью трубы и осью нижней присоединительной резьбы, принимается равным 2-3°, а угол, образованный осью трубы и осью верхней присоединительной резьбы, - 2-2,5°. Этот отклонитель используется в составе упругих компоновок и имеет длину в пределах 4—8 м.

Интенсивность искривления ствола при применении отклонителя Р-1 зависит от геометрических размеров элементов отклоняющей компоновки, диаметра скважины, размеров обоих углов перекоса присоединительных резьб отклонителя Р-1, деформации турбобура, переводника и установленных над ним бурильных труб, боковой фрезерующей способности долота, а также режима бурения и физико-механических свойств разбуриваемых пород. В силу действия такого значительного числа факторов интенсивность искривления ствола при применении переводника Р-1 является также переменной величиной. Переводник Р-1 предназначен для набора зенитного угла до 90° и выше, изменения азимута скважины, зарезки нового ствола с цементного моста и из открытого ствола. В скважинах с зенитным углом менее 5° практически невозможно ориентировать инклинометр в плоскости искривления ствола*. Поэтому в таких скважинах необходимо ориентировать отклоняющий инструмент прямым визированием с помощью приборов или визуально по меткам, нанесенным на замки и муфты бурильных труб. В практике наклонного бурения наибольшее распространение получили методы прямого визуального ориентирования отклонителя путем прослеживания направления его действия при спуске инструмента по меткам.

Ориентирование отклоняющего инструмента по меткам, нанесенным на замки и муфты бурильных труб.

Данный метод применяют при забуривании наклонного участка в вертикальном стволе скважины. Обычно отклонитель ориентируют на небольшой глубине (до 250 м), и в результате достигается необходимая точность. Для осуществления этого способа ориентирования первоначально бурильный инструмент подготавливают этой целью применяют специальный шаблон с уровнем, впервые предложенный Григоряном. Он включает в себя полухомут и уровень, размещенный на верхней полке полухомута. В нижней части полухомута имеется специальное острие, с помощью которого прочерчивается линия образующей бурильной трубы. По прочерченной линии с помощью зубила или наваркой наносят метки на замковых соединениях. Все другие метки на трубе должны быть ликвидированы. Для нанесения меток бурильную трубу выкатывают на мостки и на один из замковых концов устанавливают шаблон. Поворачивая его вокруг оси трубы, совмещают пузырек уровня с центральными делениями на пробирке. В момент совмещения по скосу, положение которого соответствует размеру данной трубы, прочерчивают линию. Затем шаблон переносят на другой замок трубы, следя за тем, чтобы положение трубы было неизменным. Шаблон вновь устанавливают с той же стороны от оси трубы, выводят пузырек уровня в центральное положение и прочерчивают линию по тому же скосу. Метки наносят способом насечки или наварки. На буровой должно быть подготовлено столько труб с метками, сколько требуется для спуска отклонителя до забоя скважины и дополнительно семь-восемь труб для наращивания в процессе одного рейса долота. Ориентирование отклонителя путем переноса меток с бурильных труб на неподвижную часть ротора впервые было осуществлено Свирским и Галютой. Они предложили прослеживать положение меток на бурильных трубах во время спуска инструмента с помощью специального шаблона ОБШС. Ориентирующий комплекс спускают в следующем порядке. Первоначально отклонитель ориентируют в заданном направлении по метке, имеющейся на корпусе отклонителя, обозначающей направление его действия. Эту метку при помощи универсального шаблона ОБШС или шаблона с ручкой переносят на неподвижную часть ротора и делают на ней отметку мелом. Это направление должно соответствовать заданному отклонению скважины. На отклонитель навинчивают первую свечу и метку на ней совмещают с меткой на роторе. После этого положение метки с нижнего замка свечи переносят шаблоном на неподвижную часть ротора, а метку на роторе, указывающую направление действия отклонителя, стирают. Затем спускают в скважину первую трубу. На подвижную часть ротора переносят метку с верхнего замка первой свечи и путем поворота стола ротора метки совмещают.

Затем навинчивают вторую свечу, после чего метку с нижнего замка второй свечи переносят на станину ротора, а предыдущие метки стирают. Вновь спускают свечу. Такие операции повторяют вплоть до спуска последней свечи, после чего на нее навинчивают ведущую трубу. Метку, перенесенную с последней бурильной трубы, совмещают с меткой на станине ротора. Точный поворот каждой колонны ротором на необходимый угол затруднителен, поэтому в ряде нефтяных районов спуск по этому способу производят иначе. До спуска первой бурильной трубы в скважину на ротор с помощью универсального шаблона переносят положение меток с отклонителя и нижнего замка трубы и измеряют расстояние между ними в направлении от метки, перенесенной с трубы, к метке, перенесенной с отклонителя. После этого метки, нанесенные на роторе, стирают. Спускают первую трубу, навинчивают и крепят машинными ключами вторую трубу. Метку с верхнего замка первой трубы переносят на ротор. От нее откладывают ранее измеренную величину в этом же направлении и ставят новую метку со знаком "О". Метку нижнего замка второй трубы переносят на ротор и измеряют расстояние от нее до метки "О". Метки вновь стирают и спускают следующую трубу. Указанные операции повторяют до конца спуска отклоняющего инструмента. Положение метки "О" укажет направление действия отклонителя в скважине. Ориентированный спуск инструмента путем нанесения крестовых меток был предложен Матюшиным и Солдатовым. Осуществление этого способа связано с операциями по набивке новых меток на бурильной колонне без переноса их на ротор буровой установки. В скважину спускают отклонитель, ставят его на элеватор и навинчивают первую свечу бурильной колонны. Положение метки с отклонителя строго по вертикали переносят на нижний замок бурильной трубы и набивают на нем новую метку, отличающуюся от уже имеющейся линейной, в виде крестика. Далее при помощи транспортира измеряют длину дуги между меткой, имеющейся на бурильной трубе, и вновь набитой крестовой меткой в направлении от первой к второй. При отсчете справа налево "нуль" транспортира совмещают с меткой на трубе, а у вновь нанесенной метки прочитывают по транспортиру соответствующее деление. Отсчёт справа налево называется прямым, отсчет слева направо - обратным. После измерения длины дуги в скважину спускают бурильную трубу и ставят ее на клинья или на элеватор. На верхнем замке спущенной трубы от имеющейся метки откладывают величину дуги, измеренную на нижнем замке этой же трубы. При этом нужно помнить направление измерения (прямое или обратное). Против отложенной величины дуги набивают крестовую метку. Навинчивают следующую бурильную трубу. Крестовую метку переносят на нижний замок вновь навинченной трубы и набивают на ней крестовую метку. Измерив длину дуги между имеющейся меткой на замке и вновь набитой крестовой меткой в направлении от первой к второй, спускают инструмент на длину навинченной трубы. В дальнейшем при спуске инструмента повторяют все описанные операции в той же последовательности. В процессе спуска показания транспортира необходимо записывать. В результате ориентированного спуска по этому способу вдоль всей колонны бурильных труб по одной образующей набивают крестовые метки. Положение крестовой метки на верхнем замке последней бурильной трубы будет характеризовать положение отклонителя в скважине. Метку, характеризующую положение отклонителя после спуска отклоняющего инструмента, поправляют на величину смещения положения ребра ведущей трубы во время ее спуска. Эту метку наносят на подвижную часть ротора. Поворотом всей бурильной колонны при помощи ротора метку на столе ротора совмещают с меткой проектного направления скважины. При бурении забойными двигателями вводят поправку на угол закручивания колонны от реактивного момента турбобура или винтового двигателя. Инструмент несколько раз поднимают и опускают на 2-3 м для снятия возможных напряжений в колонне. После этого начинают процесс отклонения скважины в заданном направлении.

Ориентирование отклонителя скважинными самоориентирующимися приборами.

Угол между апсидальной плоскостью и плоскостью действия отклонителя можно измерять с помощью самоориентирующихся приборов, спускаемых в бурильные трубы, по отметкам на свинцовой печати. Для проведения измерений этими приборами в переводник отклонителя устанавливают ножи. Зубцы ножей имеют форму остроугольного треугольника, острые концы которых направлены в сторону действия отклонителя. Два ножа устанавливают строго параллельно плоскости искривления отклоняющего инструмента. Ножи приваривают к двум полукольцам, диаметр которых соответствует диаметру кольцевой выточки в замке, и полукольца приваривают к замкам. В практике бурения наклонных скважин наибольшее распространение получили приборы Шаньгина-Кулигина и Амбарцумова. В бурильных трубах диаметром 114 мм корпус прибора необходимо уменьшить по диаметру на 40 мм. Прибор включает две основные части: желонку 1 и стакан 2. На желонке имеется присоединительная пробка 3 для соединения прибора с тросиком. К стальному стакану крепится корпус 8, на нижнем конце которого имеется свинцовая печать 9. В цилиндрической полости корпуса 8 размещены стеклянная пробирка 5, в которую при проведении измерений наливают 50 %-ный раствор плавиковой кислоты. Для получения более четкого отпечатка от плавиковой кислоты и уменьшения кривизны мениска поверх кислоты рекомендуется доливать небольшое количество машинного масла. Пробирку плотно закрывают резиновой пробкой 4. Для фиксации пробирки в гнезде корпуса используют резиновые прокладки 6 и 7. Для контроля положения пробирки в процессе измерения на ее стенки и верхний торец переводника 8 наносят риски. Ориентирование отклонителя проводят в следующем порядке. Спускают отклоняющий инструмент в скважину. В ходе свинчивания замковые резьбы докрепляют ключом АКБ или машинными ключами. Прибор заправляют пробиркой с плавиковой кислотой и опускают в бурильные трубы на тросике с помощью специальной лебедки или лебедки типа ЛПГ-3000. По натяжению тросика или по счетчику на лебедке определяют момент достижения прибором ножей. Прибор на ножах оставляют на 10-15 мин для получения следа мениска от плавиковой кислоты на внутренней стенке стеклянной пробирки. После заданной выдержки прибор поднимают из скважины, очищают от бурового раствора, вынимают стеклянную пробирку и тщательно освобождают от плавиковой кислоты. При этом контролируется неизменность положения пробирки относительно корпуса прибора. Замер расшифровывают при наличии отпечатка ножей на свинцовой печати и следа мениска на внутренней стенке пробирки. Отпечаток ножа представляет собой ряд остроугольных треугольников, расположенных на одной прямой. Расшифровку ведут со свинцового отпечатка. Для этого параллельно следу отпечатка ножа на поверхности свинцового круга наносят тонкую линию, проходящую через центр указанной окружности. Затем концы этой линии переносят на стеклянный стаканчик, прочерчивая линию по образующей корпуса, в котором размещена пробирка. На стенке стеклянной пробирки положение линий 2 и 4 наносят твердым сплавом или стеклорезом. При этом острые концы зубьев отмечают тремя черточками, противоположные - одной. После этого стаканчик вынимают из гнезда, промывают водой и тщательно протирают сухой бумагой. Затем на наружной поверхности пробирки отмечают верхнюю 3 и нижнюю 4 точки мениска, являющегося отпечатком уровня кислоты в пробирке при выдержке прибора в наклонной скважине. Точка 4 указывает на направление искривления скважины. В результате этих операций на пробирке будет зафиксировано положение ножей точками 1 и 2 и направление апсидальной плоскости линией 3-4. После этого метки 1 и 2 переносят со стаканчика на бумагу и, убрав стаканчик, проводят через эти точки линию. Далее берут лист бумаги, на который нанесена окружность диаметром около 200 мм, и через центр окружности проводят линию, один конец которой отмечают стрелкой, обозначающей направление искривления скважины. Затем пробирку устанавливают в центре окружности так, чтобы линия 3-4, указывающая направление апсидальной плоскости, совпала с линией искривления скважины на бумаге. Для нанесения линии направления действия отклонителя линии 1 и 2 со стаканчика в виде точек переносят на бумагу и проводят через них линию, обозначающую плоскость искривления отклоняющей компоновки. Конец линии с тремя черточками обозначает направление действия отклонителя, так как вершина треугольника отпечатка ножей совмещена с направлением искривления инструмента. В результате этих операций на листе бумаги будет изображена окружность, через центр которой проведены две линии: линия 3—4 со стрелкой, показывающей направление апсидальной плоскости, и линия 1-2 с треугольником, показывающим положение ножа, а следовательно, направление действия отклонителя, находящегося на забое скважины. Измерив транспортиром угол между этими линиями, получают угол между положением отклонителя в скважине и направлением искривления ствола. Вместо бумаги с вычерченной окружностью более целесообразно использовать визирную карточку или индикаторную картограмму, окружность которой разделена на 24 части. Каждая часть дополнительно разделена на четыре части. Большая часть соответствует 15°, меньшая - 3,75°. При установке стола ротора в заданном направлении метки переносят с помощью шаблонов, рассмотренных в разделе. Положение апсидальной плоскости относительно стран света определяют предварительными инклинометрическими измерениями. Метод ориентирования отклонителя, предложенный Амбарцумовым, является упрощенным вариантом метода Шаньгина-Кулигина. В отличие от рассмотренного, прибор Амбарцумова, используемый при ориентировании отклоняющих компоновок, представляет собой стальной полуцилиндр, оснащенный в нижней части свинцовой печатью. Операции по ориентированию отклонителя с помощью прибора Амбарцумова проводят аналогично описанным выше по расшифровке показаний прибора Шаньгина-Кулигина.

Ориентирование отклоняющего инструмента с помощью телеметрической аппаратуры.

Порядок работы по ориентированию отклоняющего инструмента аналогичен при использовании телеметрических систем СТЭ и СТТ. Поэтому ниже рассмотрена типовая схема операций при ориентировании отклоняющих компоновок в вертикальных и наклонных скважинах. До сборки отклонителя с телеметрической системой на нижнем переводнике ее корпуса строго на верхней образующей наносится метка "О", соответствующая нулевому показанию ДПО. После сборки отклонителя метка с верхнего переводника отклонителя переносится на нижний переводник телеметрической системы. Измеряется угол соответствующей метки, показывающей направление изгиба отклонителя, до метки "О" телеметрической системы по направлению движения часовой стрелки, если смотреть сверху вниз. Положение отклонителя в скважине с помощью телеметрической системы может контролироваться двумя способами, дополняющими друг друга и обеспечивающими в совокупности контроль положения отклонителя на участке скважины с любым зенитным углом. На участках ствола скважины с зенитным углом более 3-5° положение отклонителя контролируется с использованием датчика, чувствительного к вектору гравитации. Угол измеряется в плоскости, перпендикулярной к оси скважины, и отсчитывается от вертикальной плоскости, проходящей через касательную к оси скважины. На вертикальных участках скважины показания этого датчика становятся неопределенными. Угол положения отклонителя измеряется в этом случае путем суммирования сигналов датчика азимута и датчика положения отклонителя в горизонтальной плоскости. Угол отсчитывается от магнитного меридиана. При ориентировании отклонителя в стволе скважины с зенитным углом более 3° проводятся следующие измерения:

определяют сумму заданного угла установки отклонителя и угла смещения меток "Отклонитель" и „О", т.е. А = Р3 + 10, где рз - заданный угол установки отклонителя; о - угол смещения меток "Отклонитель" и "О"; поворотом бурильной колонны достигают показаний цифрового индикатора "Отклонитель", равных ранее вычисленному значению угла А (если угол А > 360°, то из него нужно вычесть 360°); поворот бурильной колонны необходимо вести по направлению движения часовой стрелки; после поворота для снятия упругих деформаций колонны несколько раз приподнимают ее и опускают, контролируя по индикатору "Отклонитель" полученное значение (в случае его изменения поворотом колонны достигают нужных показаний). Для ориентирования отклонителя в вертикальном стволе скважины необходимо: определить сумму заданного азимута и измеренного угла смещения меток "Отклонитель" и "О", т.е. А = р3 + со, где (рз заданный азимут искривления ствола скважины, со - угол смещения меток "Отклонитель" и "О"; установить тумблер АО (азимут отклонителя) на наземном пульте в верхнее положение; поворотом бурильной колонны добиться показаний индикатора "Отклонитель", равных полученному значению А (в процессе бурения поддерживать указанные показания индикатора "Отклонитель"); после набора зенитного угла по метке 3 тумблер АО выключить и дальнейшее ориентирование отклонителя производить для условий наклонной скважины.