КНБК для бурения вертикальных скважин

Основными задачами при бурении вертикальных скважин являются предупреждение искривления ствола и приведение ствола скважины к вертикали в случае его искривления.
При бурении скважин применяются следующие основные способы обеспечения вертикальности ствола:
- использование эффекта «маятника» за счёт создания максимально возможной отклоняющей силы на долоте, направленной в сторону, противоположную направлению искривления ствола, и увеличение при этом интенсивности фрезерования стенки ствола боковой поверхностью долота;
- сохранение имеющегося незначительного зенитного угла ствола скважины за счёт центрирования нижней части КНБК путём размещения ОЦЭ на оптимальном расстоянии от долота;
- активное уменьшение искривления ствола за счёт отклоняющей силы или изменения направления оси долота. Указанные способы проводки вертикального ствола скважины реализуются соответствующими техническими средствами:
- маятниковые КНБК;
- жёсткие КНБК,
- ступенчатые КНБК;
- РУСы. Применяемые в практике строительства вертикальных скважин КНБК при бурении роторным способом и с применением забойного двигателя приведены на рисунках 4.1 и 4.2.

Рисунок 4.1 – Компоновки для роторного способа бурения вертикальных скважин: 1 – долото; 2 – УБТ; 3 – бурильные трубы; 4 – центратор; 5 – калибратор; 6 – стабилизатор (квадратные УБТ); 7 – наддолотное стабилизирующее устройство (НСУ); 8 – шарнирный центратор

Рисунок 4.2 – Компоновки бурения вертикальных скважин забойным двигателем: 1 – долото; 2 – забойный двигатель; 3 – УБТ; 4 – бурильные трубы; 5 – центратор; 6 – калибратор; 7 – наддолотный маховик; 8 – центратор на ниппеле забойного двигателя; 9 – межсекционныйцентратор; 10 – шарнирный центратор

4.1 Жёсткая КНБК для вертикальногобурения

Важным технологическим фактором, определяющим искривление ствола вертикальной скважины, является продольная устойчивость расположенной над долотом бурильной колонны. При потере устойчивости бурильной колонны на долоте появляется отклоняющая сила, под действием которой долото будет разрушать забой под некоторым углом к оси скважины и фрезеровать стенку ствола в поперечном направлении, что приведёт к искривлению скважины. Следовательно, основной задачей при расчёте КНБК для бурения вертикальной скважины является нахождение такой длины её направляющей секции, при которой общий угол поворота оси долота был бы минимальным при любом сочетании технологических факторов. Схема расчёта такой жёсткой КНБК представлена на рисунке 4.3. Минимум общего угла (φобщ = φпр + φпер) поворота оси долота (рисунок 4.3) является критерием нахождения оптимальной длины её направляющей секции для условий вертикальной скважины.

Рисунок 4.3 – Схема расчёта жёсткой КНБК: Х1 – длина растянутой части бурильной колонны; Х2 - длина сжатой части бурильной колонны; Р – осевая реакция, приложенная к нижнему концу бурильной колонны и равная по величине весу сжатой части колонны; М1 – реактивный изгибающий момент; F - боковая реакция на опоре (центрирующем элементе, расположенном на верхнем конце КНБК); ЕJ1 - жёсткость на изгиб бурильной колонны; q1 - вес единицы длины бурильной колонны в промывочной жидкости; l – длина жёсткой КНБК; ЕJ - жёсткость на изгиб (УБТ, забойный двигатель) КНБК; q - вес единицы длины основы КНБК в промывочной жидкости

Длина направляющей секции КНБК для предупреждения искривления вертикальной скважины определяется по формуле (4.1), а геометрические и жёсткостные характеристики УБТ приведены в таблице 4.1:

(4.1)

Таблица 4.1 – Геометрические и жёсткостные параметры УБТ

4.2 Расчёт маятниковой КНБК

Маятниковые КНБК применяются для приведения ствола искривлённой скважины к вертикали.Типовая маятниковая КНБК не включает опорноцентрирующие элементы (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 – Расчётная схема маятниковой КНБК: L – длина КНБК от долота до точки касания УБТ (корпуса забойного двигателя) стенки ствола скважины; W – вес участка КНБК длиной L; F – отклоняющая сила

Величина отклоняющей силы (F) на долоте рассчитывается по формуле (4.2):

(4.2)

где L – длина КНБК от долота до точки касания УБТ (корпуса забойного двигателя) стенки ствола скважины, м:

где F – отклоняющая сила, кН;
DД – диаметр долота, м;
d – диаметр УБТ (корпуса забойного двигателя), м;
q – вес 1 м УБТ (забойного двигателя), кН/м;
α – зенитный угол ствола скважины в месте размещения КНБК, град.;
ρСТ – плотность стали, кг/м3;
ρБР – плотность бурового раствора, кг/м3.
EJ – жёсткость на изгиб УБТ (забойного двигателя), кН*м2;
Е – модуль упругости (Юнга) стали – 210*106 кН/м2;

– осевой момент инерции сечения УБТ, м4;

dB – диаметр отверстия в УБТ, м.
Значения EJ и q для типовых УБТ и забойных двигателей приведены в приложении.
При заданном диаметре долота задача выбора КНБК сводится к выбору длин УБТ, при которых отклоняющая сила (F) на долоте максимальна.

5. Расчёт КНБК для бурения наклонных скважин

При размещении КНБК в наклонно-прямолинейном стволе скважины долото разрушает забой скважины в осевом и поперечном направлении под действием осевой нагрузки и отклоняющей силы на долоте.
Отклоняющая сила численно равна поперечной реакции (F) стенки скважины на долоте, но противоположна по направлению (рисунок 5.1). Кроме того, за счёт изгиба нижней части бурильной колонны ось долота в общем случае не совпадает с осью ствола скважины, другими словами, долото при этом расположено в скважине по отношению к её оси с перекосом. Таким образом, направление бурения определяется отклоняющей силой (F) и углом (∆) перекоса долота. За счёт фрезерования стенки скважины боковой поверхностью долота и несовпадения оси долота с осью скважины её ствол отклоняется от прямолинейного направления.

Рисунок 5.1 – Схема КНБК с центратором в наклонном прямолинейном стволе: Р – осевая реакция забоя; F – поперечная реакция стенки скважины на долоте; r – радиальный зазор между стенкой скважины и центратором; ∆ – угол между осями долота и скважины; L – длина направляющей секции КНБК

Сохранение направления бурения может быть обеспечено при условии устранения отклоняющей силы на долоте и совмещения оси долота с осью прямолинейного ствола скважины (рисунок 5.1, б), что может быть выражено следующими условиями на долоте:

(5.1)

При выполнении условий (5.1) долото будет разрушать горную породу только в направлении оси скважины, что обеспечит стабилизацию направления бурения скважины.
Для этого диаметр центратора должен быть несколько меньше диаметра долота (рисунок 5.1, б), а длина направляющей секции КНБК соответствовать расчётному значению.
При равенстве нулю не только отклоняющей силы на долоте, но и угла его перекоса горная порода будет разрушаться только в направлении оси ствола скважины или касательной к оси искривлённого интервала скважины. Проектирование КНБК предполагает определение длины секций и диаметр опорных элементов, при которых выполняются поставленные условия (5.1) на долоте и которые принято называть критерием оптимизации.
Методика расчёта КНБК, основанная на условии (5.1), при котором отклоняющая сила на долоте и угол его перекоса равны нулю, представлена в работах [1-3].
Для одноцентраторной КНБК при заданном значении зенитного угла и кривизны ствола скважины существует единственная пара оптимальных значений диаметра центратора и длины направляющей секции. На рисунке 5.2 представлены зависимости длины (LОП) направляющей секции стабилизирующей КНБК с одним центратором от зенитного угла.
Например, необходимо определить размеры стабилизирующей КНБК при бурении долотом диаметром 295,3 мм роторным способом наклоннопрямолинейного интервала ствола скважины с зенитным углом 30°. Диаметр используемых УБТ равен 203 мм. По графику на рисунке 5.2 определяется длина направляющей секции, которая для заданных условий равна 7,2 м. При этом диаметр центратора должен быть не менее 286 мм.
На рисунке 5.3 представлены зависимости направляющей секции КНБК от зенитного угла для КНБК, предназначенной для искривления ствола скважины с увеличением зенитного угла с интенсивностью 3 градусазенитногоугланакаждые 100 м проходки (3°/100 м).

Рисунок 5.2 – Длина (LОП) направляющей секции стабилизирующей КНБК с одним центратором для бурения наклонно-прямолинейного интервала профиля скважины. Диаметр центратора для вариантов КНБК: №1 – 372 мм; №2 – 286 мм; №3 – 212 мм; №4 – 214 мм

Определение оптимальных размеров искривляющей КНБК с использованием графиков на рисунке 5.3 осуществляется следующим образом.
Требуется определить размеры КНБК для увеличения зенитного угла ствола скважины с 20° до 30° при бурении скважины долотом 295,3 мм роторным способом с использованием УБТ диаметром 203 мм.
По графику на рисунке 5.3 определяем длину направляющей секции КНБК, которая для нашего случая равна 4,9 м. Диаметр центратора должен быть равен 282 мм. Интервал бурения рассчитывается следующим образом: ((30°-20°)/3)*100 =333 м.

Рисунок 5.3 – Длина (LОП) направляющей секции КНБК с одним центратором для бурения наклонного интервала профиля скважины с интенсивностью увеличения зенитного угла 3°/100м. Диаметр центратора для вариантов КНБК: №1 – 364 мм; №2 – 282 мм; №3 – 211 мм; №4 – 213 мм

Список используемой литературы

1. Бурение наклонных, горизонтальных и многозабойных скважин / А. С. Повалихин, А. Г. Калинин, С. Н. Бастриков, К. М. Солодкий; под общ.ред. доктора технических наук, профессора А. Г. Калинина. – М. : Изд. ЦентрЛитНефтеГаз, 2011. – 647 с.

2. Профили направленных скважин и компоновки низа бурильных колонн / А. Г. Калинин, Б. А. Никитин, К. М. Солодкий, А. С. Повалихин. − М. : Недра, 1995. – 305 с.

3. Калинин, А. Г. Естественное и искусственное искривление скважин / А. Г. Калинин, В. В. Кульчицкий. – М. ; Ижевск, 2006. – 640 с.