Технологические методы регулирования кривизны скважин
Применение комплекса технологических методов основывается на управлении процессом бурения, который как объект управления является сложной недетерминированной системой, протекающей в условиях множества неуправляемых факторов. В такой системе значениям входных параметров (например, P, N, Q, неизвестны износ труб, центраторов, изменение физико-механических свойств горных пород, их трещиноватость, углы встречи и т.п.) выходные параметры являются случайными и могут быть установлены лишь с той или иной степенью вероятности и не во всех случаях их применения можно рассчитывать на определенные количественные зависимости.
Приемы регулирования кривизны скважины изменением параметров режима бурения. При бурении направленных скважин необходимость изменения интенсивности их искривления может возникать в двух противоположных случаях: интенсивность естественного искривления скважин может быть меньше или больше проектной. В соответствии с этим и технологические приемы регулирования кривизны скважины будут различаться [Ю.Т. Морозов, 1976].
Использование технологических методов регулирования кривизны скважин рациональны во всех случаях, когда обеспечивается не только полное, но даже и частичное выполнение поставленной задачи, так как в последнем случае это позволяет снизить число постановок отклонителей, т.е. затраты времени и средств на эти работы.
Известно, что рост осевой нагрузки вызывает дальнейший изгиб бурильной колонны и колонкового набора, а при наличии в скважине некоторой кривизны (естественной, искусственной) изогнутое положение колонкового набора будет вызывать дальнейшее искривление скважины в том же направлении с интенсивностью, зависящей от режима бурения, жесткости колонны и величины продольно-поперечного изгиба колонковой трубы из-за зазора, который существует между стенками скважины и трубой.
Таким образом, для снижения интенсивности искривления следует повышать жесткость колонковых наборов и снижать осевую нагрузку, что не всегда рационально, так как при этом снижается скорость бурения. Вместе с тем рационально сочетание частоты вращения и нагрузки при одновременном увеличении механических скоростей бурения. Например, известно, что при уменьшении диаметров бурения интенсивность искривления скважин, при прочих равных условиях, увеличивается. Однако опыт показывает, что во всех случаях, когда бурение ССК-46 осуществляется на более высоких частотах (600-1000 мин–1) по сравнению с бурением ССК-59 (460 мин–1), и когда механическая скорость бурения ССК-46 в 1,5-2,0 раза выше, чем у скважин, буримых ССК-59, интенсивность зенитного и общего искривления у скважин, буримых ССК-46 и ССК-59, либо равна, либо для ССК-46 они меньше.
Таким образом, при пересечении анизотропных, перемежающихся пород на изгиб колонкового набора и его стабилизацию в изогнутом положении большое значение имеет время прохождения контактов, при этом сокращается также влияние изгибающего момента на колонковый набор и при снижении этого времени даже более гибкая колонна обеспечивает снижение интенсивности искривления скважины.
При бурении на более глубоких горизонтах (более 400-600 м), когда частоты вращения (и механические скорости) при использовании обеих колонн сблизились, интенсивность искривления скважин, буримых ССК-59, снизилась в 2,0-2,9 раз по сравнению со скважинами, буримыми ССК-46. Сближение механических скоростей бурения и времени прохождения контактов анизотропных пород колоннами различной жесткости свидетельствуют о сильном влиянии геологических условий на изгиб менее жесткого колонкового набора ССК-46 и на увеличение интенсивности искривления скважин.
При бурении рассланцованных гранито-гнейсовых комплексов пород, характеризующихся средней интенсивностью искривления примерно 3-5° на 100 м, по опыту зарубежных фирм следует: в равных условиях бурение скважин диаметром 46 мм ЛБТ и двойными тонкостенными трубами и алмазными коронками (толщина 5,5 мм), в сравнении с колонной ССК-46, характеризуется меньшей примерно в 1,5 раза интенсивностью. Это объясняется тем, что ЛБТ позволяют осуществлять бурение с меньшими осевыми нагрузками и более высокими частотами вращения (до 1500-2000 мин-1), обеспечивающими значительные механические скорости бурения.
Зарубежные фирмы (США, Канада, Финляндия и др.) для корректировки сравнительно небольших отклонений рекомендуют метод «низкая нагрузка – высокие числа оборотов колонны». При этом для повышения скоростей бурения целесообразно рекомендовать очистку забоя от шлама с использованием воздушной продувки и ГЖС. Осуществление меньшего гидростатического давления на породы забоя позволяет осуществлять эффективное бурение со значительно меньшими осевыми нагрузками.
Фирмы Кристенсен, Лонгир и др. рекомендуют алмазный инструмент, конфигурация породорарушающей матрицы которого предусматривает его самостабилизацию при бурении. Конструктивно это выражается в наличии в центральной части долот выступающего конуса с наклоном под углом 40° или применению ступенчатых коронок различных модификаций. Это обеспечивает центрирующий эффект, удерживающий долото (коронку) от бокового смещения, в результате последовательного прохождения контакта пород направляющим конусом при центрировании основного корпуса, а затем основным корпусом при его удержании конусом.
Перспективным являются выбор ширины и формы торца алмазных коронок, что влияет как на механическую скорость, так и на снижение интенсивности искривления скважин.
Приемы предупреждения и стабилизации кривизны скважин.
Предупреждение или сокращение интенсивности искривления скважин должно основываться на предотвращении возможности: а) изгиба компоновки колонкового набора; б) вращения его нижней изогнутой части вокруг собственной оси, не совпадающей с осью скважины. Совмещение оси колонкового набора с осью скважины достигается постановкой центраторов в вершинах полуволн колонкового набора. В этом случае нижняя часть колонковой трубы при тех же параметрах режима бурения сохранит свою прямолинейность, а центратор резко сократит возможный угол перекоса этой части трубы от оси скважины, что приведет к снижению интенсивности искривления скважин. При использовании центрированных компоновок (центраторы устанавливаются в вершинах полуволн на расстоянии 2,2-2,6 м для диаметра 73 мм и 1,9-2,3 м для диаметра 57 мм) интенсивность искривления скважин заметно снижается при бурении протяженных интервалов (до 200-250 м) диаметром 76 мм интенсивность зенитного искривления находилась в пределах 1° на 100 м в сравнении со стандартной нецентрированной компоновкой, когда она составляла 3-5° на 100 м, в том числе при бурении нецентрированной удлиненной компоновкой (5,2-7,3 м) изменение зенитного и азимутального углов составило соответственно до 3,5 и 12° на 100 м.
Более эффективна работа специальных центрирующих колонковых наборов, в том числе для ССК и она тем более значительна, чем более совершенна конструкция, правилен выбор мест установки центраторов в компоновке, размеров центраторов и жесткости их соединений с колонковой трубой. Разработано несколько вариантов вполне эффективных компоновок.
Центрирующие колонковые наборы ССК конструкции ВИТРа разработаны в нескольких модификациях. Выбор центрированного или иного колонкового набора рекомендуется осуществлять исходя из характера естественного искривления скважин, а для конкретных геологических условий состав центрирующих колонковых наборов, расстояния между центраторами должны уточняться в зависимости от режима в ходе внедрения компоновок. Отличительными особенностями центрирующих наборов ВИТР (рис. 20) является увеличение наружного диаметра центраторов (59,2±0,1 мм) и длины релитовых наплавок (до 170 мм), снижение кривизны набора до 0,2 мм/м и несоосности резьбовых соединений центраторов и колонковых труб (не более 0,2 мм). Компоновки ЖК-2 (ЖК-840-7), ЖК-3 и ЖК-5 («Востказгеология») также обеспечивают снижение интенсивности зенитного и азимутального искривления в 2-3 раза по сравнению с нецентрированными колонковыми наборами, в том числе ССК, но и количество осложнений и аварий в неустойчивых породах.
Компоновки ЖК-3 и ЖК-5 более эффективны в горных породах VIII-IX категорий по буримости; ЖК-2 (ЖК-840-7) предпочтительно применять в геологическом разрезе с породами X категории и включениями более твердых пород. Многочисленные практические примеры свидетельствуют о рациональности применения подобных компонентов [11]. Компоновки ЖК-3 и ЖК-5 (рис. 20, б, г, д) состоят из алмазной коронки, центратора, стабилизатора, трубы профилированной, расширителя алмазного, центратора твердосплавного, трубы керноприемной, переходника-центратора и переходника релитового верхнего.
Между центраторами ставится колонковая труба диаметром 56 мм и длиной 1900 мм. Наружные поверхности твердосплавных центраторов покрыты износостойким твердосплавным материалом (релит или сормайт). Надкороночный твердосплавный центратор должен иметь размер лишь на 0,1-0,2 мм меньше диаметра коронки, а остальные центраторы соответствовать диаметру алмазного расширителя (59,4±0,1 мм).0
Компоновка ЖК-2 (ЖК-840-7) состоит из нижнего комбинированного центратора (коронка, алмазный расширитель, твердосплавный центратор), который профилированной трубой соединяется со средним комбинированным центратором (твердосплавный центратор, алмазный расширитель). Труба длиной не более 2 м имеет нечетное количество граней. Средний центратор соединяется с верхним центратором (твердосплавный центратор, алмазный расширитель) колонковой трубой ССК длиной 1900 мм диаметром 56 мм. Направлением работ по усовершенствованию жестких компоновок является повышение их стойкости и работоспособности.
В тех случаях, когда известны интервалы скважин, геологическое строение которых обуславливает их искривление, целесообразно применять центрирующие компоновки за 10-20 м непосредственно перед разбуриванием этих интервалов. Центрирующие компоновки ССК рекомендуется применять сразу после крепления устья скважины до начала бурения комплексом ССК.
 |
Оптимальные нагрузки для достижения минимальной интенсивности искривлений при ССК-46 должны составлять не менее 400-500 даН и при ССК-59 – 690-700 даН. Одновременно рекомендуется вести бурение на максимально высоких частотах вращения.
|
Приемы снижения и увеличения кривизны скважин. Эффективным средством снижения интенсивности искривления скважин является применение несбалансированных тяжелых труб, устанавливаемых над колонковым снарядом. Применение такого низа вынуждает бурильную колонну в основном вращаться на лежачей стенке скважины и при условии достаточности ее массы исключается ориентация низа колонкового снаряда в направлении действия геологических факторов. Это достигается изменением формы поперечного сечения трубы таким образом, чтобы ее жесткость на изгиб в направлении главных осей сечения была одинакова, что будет вызывать дополнительные затраты энергии на изгиб трубы в плоскости наибольшего сопротивления изгибу (плоскости ребра), в то время как для труб круглого сечения в любой плоскости затрачивается одинаковая работа. Поэтому, чем больше жесткость некруглой трубы на изгиб, тем больше будут затраты энергии для вращения колонны вокруг собственной изогнутой оси и тем более вероятным будет вращение такой трубы вокруг оси скважины со скоростью вращения бурильной колонны.
При бурении геологоразведочных скважин с использованием труб некруглого (трехгранной и других форм) сечения получено снижение интенсивности искривления скважин по сравнению со стандартной компоновкой.
Эффективными являются компоновки со смещенной массой (КСМ), а также дебалансовые снаряды ТПИ, в которых между двумя колонковыми трубами установлен ниппель с эксцентрично закрепленным внутри грузом. Применение таких компоновок позволило снизить интенсивность естественного искривления в 2-3 раза, что обусловлено вращением изогнутого колонкового набора вокруг оси скважины. Для компоновки диаметром 76 мм длина должна быть 6,5-7,0 м; для диаметра 59 мм – 5,5-6,0 м рекомендуется такой же принцип для колонковых наборов ССК-59 с фрезерованиием для смещения центра тяжести одной из стенок наружной колонковой трубы. Последствия указанных мероприятий, однако, недостаточно изучены: в частности, возможно возникновение вибраций и повышение одностороннего износа алмазного инструмента.
Для увеличения искривления наиболее надежные результаты могут быть получены при применении специальных шарнирных и ступенчатых компоновок, снарядов плавного искривления типа СПИ, ТС, фрезерно-шарнирных КФШ (рис. 20). Как шарнирная, так и ступенчатая компоновки обеспечивают удовлетворительные результаты по увеличению интенсивности искривления скважин прежде всего при совпадении направления действия компоновки и естественного искривления. Ступенчатые компоновки в меньшей степени зависят от естественного искривления и с большей вероятностью обеспечивают в ряде случаев набор кривизны. Осевую нагрузку и скорость вращения колонны на первых метрах бурения (примерно в пределах длины компоновки) рекомендуется снижать по сравнению с обычным режимом и устанавливать над шарниром трубы тяжелого низа. Это ограничение связано с необходимостью предотвращения опрокидывания компоновки и удержания шарнира на лежачей стенке.
Перспективными являются методы управления процессом направленного бурения скважин, технологическими приемами и компоновками гидроударного бурения (Морозов Ю.Т., 1976 г.).
Зарубежные фирмы уделяют пристальное внимание проблеме снижения интенсивности естественного искривления скважин, буримых ССК; при этом основными направлениями разработки технических средств являются: обеспечение максимального центрирующего эффекта набора, что реализовано в компоновке типа «Мини-Дрилл», «Мини-Деве»; повышение устойчивости наборов, что достигается уменьшением числа резьб и высокой точностью изготовления элементов набора; основное внимание уделяется соосности элементов компоновки; разработка коронок определенных конструкций, позволяющих бурить при пониженных осевых нагрузках.
Таким образом, основные направления решения проблемы совпадают с решениями, выполняемыми в отечественной практике.
Наиболее широкая реализация выполнена в результате разработки компоновки для ССК типа «Мини-Деве» (рис. 21, ж, з). Она выпускается в четырех типоразмера: AQ, BQ, NQ, HQ [Нескоромных Б.В., 1989]. В состав компоновки (рис. 21, ж – компоновка разобрана, з – компоновка собрана) входят коронка 1, специальный расширитель 2, имеющий удлиненный корпус, на который надевается втулка 9. Наружный диаметр этой втулки близок к диаметру расширителя 2. Между верхней частью корпуса расширителя 2 и внутренней поверхностью втулки 9 образуется канал для прохода жидкости, которая выходит через отверстия во втулке 9. Выше втулки 9 ставятся 2-3 стабилизатора 10 со спиральными канавками. Длина расширителя 2 и втулки 9 равна 600 мм. Предусмотрена возможность установки дополнительных центрирующих узлов на расстоянии 2,1 и 3,6 м от коронки 1. Зазор между корпусом компоновки и стенками скважины составляет не более 0,15 мм.
|
Компоновка ТСБИС с центратором с невращающимся корпусом состоит из центратора и ниже гидродинамического центратора, соединенных колонковой трубой длиной 3-6 м с наплавками релита или сормайта шириной 0,8-1,2 см, располагаемых на трубе через 90° в шахматном порядке. Их применение эффективно для снижения интенсивности искривления скважин при совместном использовании с гидроударными машинами типа ГВ; такая компоновка позволяет снизить интенсивность искривления скважин в 2,0-2,5 раза.
Использование компоновки, состоящей из стандартного колонкового набора с одним или двумя четырехгранными центраторами-стабилизаторами, установленными над набором (рис. 21), позволяет снизить изгиб колонкового набора и создает условия более стабильного обращения набора вокруг оси скважины, что снижает ее интенсивность искривления. Аналогично разработаны колонковые наборы со смещенным центром тяжести поперечного сечения (КСМ КазИМС). Они изготавливаются из стандартных колонковых труб с закреплением на ее внутренней поверхности металлической полосы (возможно применение эксцентричных ниппелей, труб с эксцентричной массой, овальной, эллипсоидальной формы и т.п.), которая в сечении имеет форму кольцевого сектора с углом охвата 30-40°. При их использовании происходит снижение интенсивности естественного искривления, уменьшается уровень вибрации и повышается механическая скорость бурения.
Механизм работы КСМ основывается на регулировании центробежной силы при обращении компоновки вокруг оси скважины в направлении, заданном буровым станком, в связи с чем другие виды движения компоновки КСМ в скважине маловероятны. Для снижения интенсивности естественного искривления скважин при бескерновом бурении шарошечными долотами также разработан ряд специальных компоновок; например, компоновка диаметром 76, 59, 46 мм с трехгранным стабилизатором конструкции «Кировгеологии» длиной 4-6 м, грани которого армированы твердым сплавом ВК-8, что обеспечивает снижение интенсивности естественного искривления в 2-3 раза; увеличивается углубка за рейс на 10-20%, имеет значительный ресурс до 500 м (с реставрацией резьбовых соединений).
Известна также аналогичная компоновка диаметром 73 мм конструкции Иркутского политехнического института, в которой стабилизатор изготовлен из коротких патрубков длиной 0,4 м, соединенных толстостенными трубами с удлиненными конусными резьбовыми соединениями и шарнирным переходником для устранения деформации компоновки при бурении и компоновка КББ-59, 76 конструкции «Севзапгеологии» (Б.Е. Стеблов) с четырехгранными армированными центраторами и соединительными патрубками. Наработка на компоновку до первой реставрации составляла примерно 65 м, общая – до 200-300 м.
Для проработки интервалов искусственного искривления ствола после постановки отклонителей типа ОБС, ОКГ, ТЗ и др. ВИТРом разработаны и широко применяются компоновки КПИИ (рис. 22) и те же компоновки с последующим набором кривизны конусной жесткой трубой по аналогии с компоновкой объединения «Сосновгеология». Патрубок присоединяется своей суженной (уменьшенной по диаметру) частью к бурильной трубе диаметром 42 мм, а расширенной – к бескерновому долоту (алмазному или шарошечному). Набор кривизны и длина интервала бурения устанавливаются расчетным путем.