Отклоняющий инструмент и технологии выполнения отклонения
| 4.1 | Отклонители | ||||||
| Отклонитель использовался в качестве основного отклоняющего инструмента в 30‑50‑х годах 20 века. В настоящее время стандартные отклонители используются довольно редко. Существует три типа отклонителей: | |||||||
| 4.1.1 | Стандартный съемный отклонитель | ||||||
| Стандартный съемный отклонитель используется главным образом для зарезки наклонного ствола, а также зарезки бокового ствола. Данный инструмент имеет форму перевернутого стального клина, вогнутого с одной стороны для удержания и направления буровой компоновки с отклонителем. | |||||||
| Отклонитель также имеет на нижнем конце выступ в форме зубила, исключающий разворачивание инструмента, и утяжеленную муфту в верхней части для его извлечения из скважины. Данный отклонитель используется с буровой компоновкой, состоящей из долота, стабилизатора со спиральной канавкой, ориентирующего переводника, жестко присоединенного к отклонителю при помощи срезного штифта. Узел отклонителя спускается на забой и ориентируется в нужном направлении. Для установки отклонителя и среза штифта прилагается нагрузка. После этого в работу включается долото, направляемое отклонителем в требуемом направлении. Под кромкой отклонителя выбуривается зумпф на глубину от 12 до 16 футов. Затем узел вынимается из скважины вместе с отклонителем. Для расширения зумпфа до требуемого диаметра выполняется проходка скважинным расширителем. Затем узел скважинного расширителя поднимается из скважины, а в нее спускается устройство для быстрого набора угла кривизны для проходки по заданной начальной траектории отклонения. Зачастую данная операция должна полностью повторяться несколько раз в точке зарезки бокового ствола. Как видно из вышесказанного, основным недостатком стандартного отклонителя является большое количество спускоподъемных операций, что требуется больших временных затрат. Другим немаловажным недостатком является то, что данный отклонитель формирует резкое отклонение, что впоследствии может осложнить процесс бурения скважины. Среди преимуществ можно назвать простоту конструкции устройства, требующей минимального обслуживания и не имеющей ограничений по температуре. |  Рис. 4-1. Стандартный съемный отклонитель | ||||||
| 4.1.2 | Отклонитель с промывкой |   Рис. 4-2. Стационарный отклонитель | |||||
| Отклонитель с промывкой спускается, устанавливается и работает так же, как и стандартный отклонитель. Однако при этом сначала через канал в нижней части отклонителя пропускается буровой раствор для обеспечения более эффективной промывки забоя с целью очистки места для его установки. Данный способ является весьма эффективным для удаления разбуренной породы из призабойной зоны. | |||||||
| 4.1.3 | Стационарный отклонитель | ||||||
| Стационарный отклонитель (рис. 4-2 справа) предназначен для постоянной установки в скважине. Он устанавливается в местах, где в обсадной колонне будет вырезаться окно для зарезки бокового ствола. Стационарный отклонитель устанавливается в скважине при помощи пакера модели «D» компании Baker. В основании отклонителя предусмотрен специальный замок для его крепления к пакеру. Шпонка из нержавеющей стали в пакере входит в уплотнительный якорь отклонителя и исключает его поворот в процессе бурения. Обычно пакер устанавливается после ориентирования системы. После установки пакера стационарный отклонитель крепится штифтом к зарезному фрезеру. Затем узел медленно спускается в скважину и устанавливается на пакер. Несмотря на то, что пакер уже ориентирован в требуемом направлении, рекомендуется таким же образом сориентировать отклонитель. Это позволит ускорить процесс защелкивания замка и снизить вероятность повреждения срезного штифта. После установки отклонителя на пакер штифт срезается, а затем начинается промывка и фреза запускается в работу. Для выполнения чернового отверстия в обсадной колонне используется зарезной фрезер, при помощи которого в колонне вырезается отверстие длиной около 2 футов. Выступ, при помощи которого отклонитель крепился к зарезному фрезеру, также должна удаляться фрезером. После этого узел поднимается для смены фрезера. Для доводки окна используется высокоскоростной фрезер из карбида вольфрама или алмаза. После выполнения окна в колонне перед подъемом из скважины данным фрезером пробуривается интервал длиной приблизительно 5 футов. Затем в скважину спускается конусный фрезер с райбером над ним. Данные фрезеры используются для доводки верхней и нижней части окна. После завершения данной операции колонна поднимается для установки буровой компоновки. Преимущество использования стационарного отклонителя по сравнению со стандартным методом выреза участка обсадной колонны и зарезки бокового ствола заключает в том, что на данную операцию затрачивается меньше времени. Основным недостатком этого метода является крутое искривление ствола, поэтому использование стационарного отклонителя нежелательно в случаях, когда необходимо пробурить достаточно большой интервал вниз от точки зарезки бокового ствола. В этом случае могут возникнуть проблемы с извлечением стабилизаторов и т. п. через окно в обсадной колонне. Метод с применением стационарного отклонителя вполне приемлем для случаев, когда вниз после точки зарезки бокового ствола необходимо пробурить лишь короткий интервал. | |||||||
| 4.2 | Гидромониторное бурение | ||||||
| Гидромониторное бурение представляет собой метод выполнения наклонного ствола в рыхлой породе. Данный метод был разработан в середине 1950-х годов и стал использоваться в качестве основной технологии отклонения вместо метода отклонителей. Несмотря на то, что впоследствии вместо гидромониторного бурения стали использоваться системы отклонения с забойным двигателем (в качестве основного метода), данная технология в настоящее время является зачастую более предпочтительной во многих случаях ввиду ряда преимуществ. При этом может использоваться гидромониторное долото (аналогичное долото показано на рисунке ниже), но также широко используется стандартное трехшарошечное долото для рыхлых пород, оснащенное одной гидромониторной насадкой большого диаметра и двумя малыми насадками. | |||||||
 | |||||||
| Рис. 4-3 | |||||||
| 4.2.1 | Требования к гидромониторному бурению | ||||||
| q Бурение струей бурового раствора из гидромониторной насадки большого диаметра может производиться только в рыхлых породах. Согласно приближенному эмпирическому правилу гидромониторное бурение не должно производиться в пластах, которые невозможно проходить со скоростью более 80 фут/ч с использованием обычного бурового оборудования. Гидромониторное бурение наиболее эффективно в рыхлых, песчаных пластах, при этом его эффективность снижается по мере увеличения глубины, что связано с повышением плотности пород. Максимальная глубина в Мексиканском заливе, до которой может эффективно применяться гидромониторное бурение, составляет около 2500 футов. q Буровая установка должна иметь гидравлическую мощность, необходимую для гидромониторного бурения. Для обеспечения эффективности гидромониторного бурения на долото должна передаваться гидравлическая энергия, достаточная для разрушения породы. Согласно эмпирическому правилу для гидромониторного бурения скорость потока бурового раствора через насадку большого диаметра должна составлять не менее 500 фут/с. | |||||||
| 4.2.2 | Компоновки для гидромониторного бурения | ||||||
| Типовая компоновка, используемая для гидромониторного бурения направляющего ствола диаметром 12‑1/4 дюйма, включает в свой состав: q гидромониторное долото диаметром 12-1/4 дюйма; q переводник-удлинитель; q стабилизатор диаметром 12-1/4 дюйма; q универсальный отклоняющий переводник; q немагнитная УБТ размером 3x8 дюймов; q стабилизатор диаметром 12-1/4 дюйма; q УБТ диаметром 8 дюймов; q толстостенная бурильная труба (при необходимости). В принципе, данная компоновка представляет собой роторную систему для зарезки ствола с большим углом набора кривизны (см. Раздел 7), оснащаемую подходящим долотом для гидромониторного бурения. Верхний стабилизатор устанавливается при необходимости и зачастую не используется. | |||||||
| 4.2.3 | Гидромониторные насадки долота | ||||||
| Существует три варианта конфигурации долота: A. Специальное гидромониторное долото с удлиненной насадкой большого диаметра, установленной вместо одной из шарошек. B. Стандартное трехшарошечное долото с одной гидромониторной насадкой большого диаметра и двумя малыми насадками. C. Стандартное долото с одной заглушенной насадкой для направления потока через две оставшиеся насадки. В скважинах большого диаметра (например, 17‑1/2 дюйма) предпочтительно направлять поток через две насадки, поскольку для отклонения долота и наддолотного стабилизатора требуется размыть достаточно большой участок. Варианты конфигурации (A) и (B) успешно используются в скважинах практически всех диаметров, выполняемых гидромониторным методом. Конфигурация (B) является наиболее распространенной, поскольку в ней используются стандартные долота и насадки, а долота оснащаются таким образом, чтобы использоваться как для гидромониторного, так и обычного бурения. В долоте диаметром 12-1/4 дюйма, оборудованной для гидромониторного бурения, диаметр главной насадки составляет, как правило, 26/32 или 28/32 дюйма, а две оставшихся насадки имеют диаметр 10/32 или 8/32 дюйма. | |||||||
| 4.2.4 | Процедура гидромониторного бурения | ||||||
| 1.Компоновка спускается на забой, производятся необходимые измерения, гидромониторная насадка большого диаметра (рабочая плоскость инструмента) ориентируется в требуемом направлении. 2.Начинается циркуляция с максимальным расходом (например, 800 галл./мин. для скважины диаметром 12‑1/4 дюйма) и производится управляемый размыв ствола под насадкой большого диаметра. 3.Затем может быть начата операция расхаживания бурильной колонны без ее вращения до забуривания скважины на глубину в несколько футов и спуска долота и наддолотного стабилизатора в размытый карман. Данный метод заключается в том, чтобы поднять колонну на 5‑10 футов над забоем и сбросить ее обратно на забой, улавливая ее при помощи тормозной системы так, чтобы при ударе о забой не подвергалась нагрузке под действием своей полной массы, а разбуривала скважину. Альтернативный метод, способный повысить эффективность гидромониторного бурения, предусматривает поворот роторного стола на небольшой угол (15°) вправо и влево при гидромониторном бурении. | |||||||
| 4.После выполнения скважины струей на глубину 3‑8 футов в зависимости от требуемой интенсивности набора угла кривизны и результатов начальной операции начинается основной процесс бурения. При этом скорость циркуляции снижается практически до 50% по сравнению с расходом при гидромониторном бурении. Во время проходки следующих 10 футов очистка ствола не производится. Отклонение компоновки и ее проталкивание в направлении, выполненном при гидромониторном бурении, должно производиться с высокой нагрузкой на долото (40‑45 килофунтов) и низкой скоростью вращения (60‑70 об./мин.). Вначале спуск может быть затруднен ввиду того, что стабилизатор будет наталкиваться на неровности стенок ствола, выполненного гидромониторным методом. 5.После прохождения интервала длиной около 10 футов скорость подачи бурового раствора может быть увеличена до 60‑70% от расхода при гидромониторном бурении. При этом должна поддерживаться высокая нагрузка на долота и низкая частота вращения. Ствол пробуривается до следующей контрольной точки. 6.Для оценки проходки выполняются необходимые измерения. При слишком большом искривлении данный участок должен расширяться, а измерения повторяться. 7.В точке зарезки наклонного ствола гидромониторная операция повторяется в ходе каждого рейса до достижения угла кривизны 3. После этого гидромониторная операция выполняется, как правило, в ходе каждой двойной проходки. После выполнения каждого интервала гидромониторная насадка должна ориентироваться в требуемом направлении до продолжения работы. Данная операция повторяется до получения требуемого угла кривизны ствола и отклонения скважины в требуемом направлении. Цель операции заключается в том, чтобы при забуривании и размывке под гидромониторной насадкой в породе образовался карман. Под действием большой нагрузки на долото и вращения бурильной колонны долото и наддолотный стабилизатор входят в данный карман (путь наименьшего сопротивления). Муфты, расположенные над наддолотным стабилизатором, сгибаются и соприкасаются с нижней поверхностью ствола, действуя в качестве рычага с наддолотным стабилизатором в качестве поворотного механизма, что заставляет долото проходить дальше в карман (т. е. в направлении, в которое была первоначально ориентирована гидромониторная насадка большого диаметра). | |||||||
 | |||||||
| Рис. 4-4 | |||||||
| 4.2.5 | Преимущества гидромониторного метода | ||||||
| q Гидромониторное бурение является простым и недорогостоящим методом отклонения ствола скважины в рыхлых породах, не требующем специального оборудования кроме гидромониторного долота. q Интенсивность отклонения может отчасти регулироваться с поверхности по длине интервала, выполняемого гидромониторным методом за одну операцию. q Инклинометрический инструмент устанавливается на небольшом расстоянии от долота, поэтому глубина выполнения измерений не значительно отличается от глубины забоя. q Процесс ориентации рабочей плоскости инструмента довольно прост. q Эта же компоновка может использоваться в качестве средства набора угла кривизны при нормальном роторном бурении. | |||||||
| 4.2.6 | Недостатки гидромониторного метода | ||||||
| q Данный метод приемлем только для рыхлых пород и на небольших глубинах, именно поэтому он используется главным образом для зарезки наклонного ствола на небольших глубинах. q Гидромониторное бурение зачастую характеризуется высокой интенсивностью отклонения ствола. Отклонение формируется резкими изменениями траектории, а не плавным закруглением ствола, поэтому гидромониторным методом сначала выполняется ствол меньшего диаметра, который затем расширяется до требуемого размера, что позволяет сгладить наиболее резкие искривления. | |||||||
| 4.3 | Забойный двигатель с кривым переводником | ||||||
| Наиболее распространенным методом отклонения ствола является метод с использованием забойного двигателя с кривым переводником. Как показано на рис. 4-5, кривой переводник устанавливается непосредственно над двигателем и делает данную компоновку отклоняемой. Его нижнее резьбовое соединение (на штифте) отклоняется на угол 1°-3° от оси корпуса переводника. Кривой переводник выполняет функцию шарнирного рычага, отклоняющего и проталкивающего долото. Данная отклоняющая составляющая силы, действующей на долото, направляет двигатель по криволинейной траектории при условии, что бурильная колонна не вращается. Угол кривизны (интенсивность отклонения) зависит от угла поворота кривого переводника и наружного диаметра двигателя, данного переводника и утяжеленных бурильных труб по отношению к диаметру ствола, а также длины двигателя. Компоновка забойного двигателя с кривым переводником может использоваться для зарезки наклонного ствола при корректирующих рейсах и для зарезки бокового ствола. Следует отметить, что в нижней части данной компоновки не предусматриваются стабилизаторы. Как правило, на участке колонны над кривым переводником длиной 90 футов стабилизаторы не устанавливаются. При использовании двигателя с кривым переводником для зарезки наклонного ствола на небольших глубинах КНБК зачастую не имеет других устройств, кроме этого двигателя и переводника. | |||||||
  | |||||||
| Рис. 4-5. Компоновка с забойным двигателем и кривым переводником | |||||||
| 4.3.1 | Реактивный крутящий момент | ||||||
| Реактивный крутящий момент возникает в результате прохождения бурового раствора через статор. Статор неподвижно закреплен к корпусу двигателя, поэтому данная сила заставляет двигатель и, соответственно, всю КНБК поворачиваться против часовой стрелки. По мере увеличения нагрузки на долото увеличивается и бурильный момент, создаваемый двигателем. Реактивный момент увеличивается прямо пропорционально. В упрощенной форме вполне разумно рассматривать бурильный момент на долоте, направленный по часовой стрелке, как «действие», а момент на двигателе, направленный против часовой стрелки, как «противодействие». Реактивный момент равен бурильному моменту. Реактивный момент создает проблемы при бурении наклонно-направленных скважин, при котором для отклонения ствола используется двигатель с кривым переводником. Поворот КНБК, вызываемый реактивным моментом, изменяет направление сгиба кривого переводника (т. е. изменяет ориентацию рабочей плоскости инструмента). При определении ориентации рабочей плоскости инструмента по результатам одноточечной инклинометрии специалист по бурению наклонно-направленных скважин должен рассчитать, насколько повернется компоновка влево под действием реактивного момента. Рабочая плоскость инструмента ориентируется с поворотом вправо на такой угол от требуемого направления, чтобы при бурении инструмент вернулся в требуемое положение под действием реактивного момента. Угол поворота бурильной колонны зависит от ее конструкции. Должно существовать четкое понимание данной зависимости, поскольку она влияет непосредственно на ориентацию забойного двигателя. На больших глубинах поворот бурильной колонны под действием реактивного момента имеет более критичные последствия, в частности, при использовании бурильных труб меньшего наружного диаметра с высоким крутящим моментом. В процессе бурения необходимо предпринимать все возможное для поддержания постоянных параметров бурения и, следовательно, постоянного реактивного момента и неизменной ориентации рабочей плоскости инструмента. Реактивный момент возникает как при использовании гидротурбинных, так и объемных забойных двигателей. Несомненно, высокомоментные двигатели создают более высокий реактивный момент. | |||||||
| 4.3.1.1 | Факторы, влияющие на реактивный крутящий момент | ||||||
| q Характеристики двигателя q Буримость породы | q Характеристики долота q Нагрузка на долото | ||||||
| Достаточно трудно точно определить реактивный момент. Для этого было разработано несколько таблиц и эмпирических правил, одно из которых представлено ниже. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ РЕАКТИВНЫЙ МОМЕНТ = 10°-20°/1000 футов | |||||||
| Примечание.Низкие значения приведены для низкомоментных двигателей, таких как Navidrill Mach 2, а высокие — для высокомоментных двигателей, таких как Navidrill Mach 1. | |||||||
| 4.3.2 | Операции спуска | ||||||
| Операции установки и испытания двигателя перед спуском в скважину и начала бурения описаны в Разделе 3. Перед началом бурения с использованием двигателя и кривого переводника кривой переводник (рабочая плоскость инструмента) должен быть сориентирован в требуемом направлении. 1.Труба расхаживается до устранения момента бурильной колонны. Наилучшие результаты достигаются при расхаживании трубы с относительно большой скоростью. При этом расстояние между долотом и забоем не должно быть менее 5 футов. 2.После этого следует сделать пометку на вкладышах под ведущую трубу, зафиксировать роторный стол и выполнить измерения для определения ориентации рабочей плоскости инструмента. 3.Теперь можно повернуть трубу для ориентирования рабочей плоскости инструмента в нужном направлении. При ориентировании следует учитывать предполагаемый угол поворота влево под действием реактивного момента. Исходя из практического опыта для низкомоментных двигателей (например, Mach 2 Navi-Drills) установлено соотношение 10°/1000 футов, а для высокомоментных (например, Mach 1 Navidrills) – 20°/1000 футов. При этом следует помнить, что реактивный момент зависит от нагрузки на долото и перепада давления на двигателе. 4.При ориентировании трубу следует повернуть вправо при условии, что угол поворота составляет не менее 90° влево от требуемого положения. Затем необходимо расхаживать бурильную колонну, чтобы обеспечить поворот КНБК. 5.Перед началом бурения следует зафиксировать роторный стол. | |||||||
| 4.3.3 | Сравнение компоновки объемного двигателя с кривым переводником и компоновки гидротурбинного двигателя с кривым переводником | ||||||
| Объемные забойные двигателе имеют рад преимуществ над гидротурбинными при бурении наклонно-направленных скважин с использованием кривого переводника. При бурении с использованием объемного двигателя нагрузка может определяться по манометру давления нагнетания насоса. При постоянном давлении нагнетании перепад давления на объемном двигателе также является постоянным, и, следовательно, крутящий момент и нагрузка на долото также остаются неизменными. Потерю скорости объемного двигателя можно легко определить по резкому скачку давления на поверхности. В отличие от гидротурбинных двигателей при использовании объемных двигателей срок службы долот увеличивается ввиду низкой частоты вращения. Данные двигатели могут работать с материалом для борьбы с поглощением раствора, тогда как гидротурбинные двигатели непригодны для этой цели. Кроме того, вместо кривого переводника объемные двигатели могут оснащаться карданным соединением со слегка изогнутым корпусом. Поскольку данный изгиб расположен ближе к долоту, он способен обеспечит тот же эффект, что и кривой переводник с большим углом изгиба. Это позволяет снизить вероятность волочения долота по стенке скважины при спускоподъемных операциях. Единственное преимущество гидротурбинных двигателей над объемными заключается в том, что они могут эксплуатироваться при более высоких температурах. Кроме того, гидротурбинные двигатели не оснащаются сбросными клапанами. Несколько лет назад гидротурбинные двигатели с большим углом отклонения могли работать с более высокими расходами, чем объемные двигатели, но сейчас ситуация изменилась. В настоящее время гидротурбинные двигатели крайне редко используются с кривыми переводниками по вышеописанным причинам. | |||||||
| 4.3.4 | Преимущества использования забойного двигателя с кривым переводником в качестве отклоняющего инструмента | ||||||
| q Данная компоновка обеспечивает выполнение плавного, равномерного искривления ствола хорошего качества с требуемым диаметром. q Интенсивность отклонения более предсказуема, чем при использовании отклоняющего инструмента. q Данная компоновка может использоваться в большинстве пород. q Ввиду того, что бурильная колонна не вращается, для выполнения инклинометрических измерений и ориентирования при бурении возможно использование канатного отклоняющего инструмента. В качестве альтернативы может использоваться система измерения при бурении. | |||||||
| 4.3.5 | Недостатки использования забойного двигателя с кривым переводником в качестве отклоняющего инструмента | ||||||
| q В начале операции бурения реактивный момент изменяет ориентацию рабочей плоскости инструмента и может мешать поддержанию требуемой ориентации инструмента. q Данные забойные двигатели являются дорогостоящими изделиями и требуют техобслуживания. Разумеется, данные затраты несопоставимы с экономией от качественного бурения и более высокого уровня контроля, обеспечиваемых данными двигателями. | |||||||
| 4.3.6 | Использование объемных двигателей с отклоняющими переводниками (с изогнутым корпусом) | ||||||
| В качестве альтернативы кривому переводнику может использоваться объемный двигатель с изогнутым корпусом карданного соединения, действующим в качестве отклоняющего переводника. Такая компоновка включает двигатель Navi-Drill и изогнутый корпус, поставляемый другими изготовителями объемных забойных двигателей. Такие двигатели с одним изгибом использовались для выполнения сложных отклонений, как например, зарезка бокового ствола на коротком интервале скважины в условиях твердой породы. Поскольку данный изгиб располагается к долоту ближе, чем кривой переводник, для выполнения отклонения большой кривизны достаточно небольшого угла. В настоящее время двигатели с одним изгибом широко используются в направленном бурении. При вращении бурильной колонны вращается и корпус двигателя, в результате чего получается практически прямолинейный ствол. Однако при ориентации изгиба (рабочей плоскости инструмента) в требуемом направлении и бурении без вращения бурильной колонны будет выполняться ствол с заданной кривизной (см. Раздел 6). | |||||||
| 4.3.7 | Вопросы по Разделу 4 | ||||||
| 1. | Назвать преимущество и два недостатка стандартного съемного отклонителя. | ||||||
| Преимущество: | |||||||
| Недостатки: | |||||||
| а. | |||||||
| b. | |||||||
| 2. | Описать условия применения стационарного отклонителя. | ||||||
| 3. | Указать диаметры насадок для трехшарошечного долота диаметром 12‑1/2 дюйма, используемого для гидромониторного бурения. | ||||||
| 4. | Назвать компоновку, используемую для гидромониторной зарезки направляющего наклонного ствола диаметром 12-1/2 дюйма из вертикального интервала. | ||||||
| 5. | Описать КНБК для зарезки наклонного ствола скважины диаметром 17-1/2 дюйма с использованием двигателя Navi-Drill и кривого переводника с интенсивностью набора угла кривизны 2,5°/100 футов. Перечислить используемые КНБК. | ||||||
| 6. | Объяснить понятие «реактивный крутящий момент» забойного двигателя и проблемы, вызываемые данным явлением при бурении наклонно-направленных скважин. | ||||||
| 7. | Назвать три преимущества использования забойного двигателя с кривым переводником в качестве отклоняющего инструмента. | ||||||
1.
2.
3.