Аналитические исследования технологии бурения скважин с роторным. Выпускной квалификационной работы Аналитические исследования технологии бурения скважин с роторными управляемыми системами в различных горногеологических условиях
 Скачать 2.3 Mb.
|
|
2 РОТОРНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ СИСТЕМЫ 2.1 Принцип действия роторных управляемых систем В настоящее время для проходки вертикальных, наклонных и горизонтальных стволов активно применяются rotary steerable system (RSS) – роторные управляемые системы (РУС), в которых разрушение горной породы осуществляется вращением долота с бурильной колонной верхним приводом буровой установки или ротором, а также отклоняющие системы, сочетающие применение винтовых забойных гидродвигателей и РУС. Данные системы являются наиболее совершенными, а в сочетании с системами телеметрии и геонавигации превратились в совершенные беспилотные средства дистанционного управления направлением буримых скважин. Возможности этих систем впечатляют: при высочайших точности (± 0,1 º ) и оперативности данные системы способны осуществлять бурение скважин любой ориентации в пространстве протяженностью до 13 км непрерывными рейсами, протяженность которых может составлять более 1000 м. Современная отклоняющая система представляет собой беспилотный электронно-механический агрегат, управляемый дистанционно. На рис. 1 приведена блок-схема современной отклоняющей системы типа РУС Обладая автономным источником электрической энергии (4) подобные отклоняющие системы управляются с поверхности оператором через компьютер (10), который формирует сигнал, передаваемый через буровой раствор или посредством электромагнитного излучения (8) до забойной компоновки, в которой посредством электронного блока (3) и системы привода (2) отклоняющего механизма (1), производится ориентированное в заданном направлении изменение направления скважины. В то же время встроенная система телеметрии (5) ведет постоянный мониторинг угловых Рис. 1 Блок-схема забойной отклоняющей системы: 1 – механизм искривления; 2 – привод механизма искривления; 3 – электроный блок управления приводом механизма искривления; 4 – источник электроэнергии (гидротубина или аккумуляторные батареи); 5 – телеметрия; 6 – электронный блок телеметрии; 7 – блок передачи и приема информации, передавамой с поверхности и к забойной системе; 8 – канал связи (гидроимпульсный, электромагнитный); 9 – приемное устройство и усилитель сигнала; 10 – компьютер; 11 – прибор для визуального контроля процесса бурения на буровой Пр ЭБ ТМ ИЭ ПР К ПрУс 1 2 3 4 5 6 7 9 11 10 8 параметров бурящейся скважины и посредством электронного блока (6), и системы преобразования сигнала (7) передает информацию на поверхность в блок приемки и усиления сигнала (9), далее в компюьтер (10) и на прибор для визуального контроля процесса бурения на буровой (11) к оператору. В результате такого взаимодействия формируется новое задание для корректировки направления скважины, которое и реализуется с высокой точностью. Эффективность РУС определяется следующими обстоятельствами: - улучшается вынос шлама, так как РУС не создает зауженных интервалов ствола скважины; - повышается скорость проходки, поскольку эффективный вынос шлама препятствует его осаждению, что положительно влияет на процесс разрушения породы; - повышается скорость бурения и длина горизонтального ствола за счет снижения силы трения между колонной и стенкой скважины вследствие вращения всей колонны; - сокращается риск механического и дифференциального прихватов, поскольку нет неподвижных элементов РУС, контактирующих с обсадной колонной, отклонителем или стенкой ствола скважины. Системы РУС позволяют бурить пологие и горизонтальные скважины с плавным профилем из-за отсутствия перегибов ствола (обычных при использовании забойных двигателей) с большей протяженностью за счет снижения сил трения и лучшей очисткой ствола от шлама. Более высокая проходка с постоянным вращением бурильной колонны предотвращает вероятность прихватов бурильного инструмента, сокращает время на очистку ствола от выбуренной породы и дает ряд дополнительных преимуществ по качеству вскрытия продуктивного горизонта. Применение РУС позволяет бурить протяженные – более 10 км горизонтальные стволы, так как бурение с вращением бурильной колонны снижает вероятность зашламования колонны и обеспечивает более высокую способность к проталкиванию колонны по горизонтальному стволу. [1] Различают три типа РУС: реализующие механизм фрезерования стенки (push-the-bit), реализующие механизм ассиметричного разрушения забоя вследствие перекоса долота (point-the-bit), а так же РУС совмещающие эти два механизма. 2.2 Принцип работы РУС типа Push the bit Система «Push the bit» – предполагает набор кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия. В системе с отклонением долота отклоняющая сила на долоте Р от появляется в результате выдвижения лопаток 1, осуществляющих давление на стенку скважины с усилием Р р (рис. 2, рис. 3). Рис. 2. Схема для расчета радиуса искривления РУС с радиальным смещением долота: 1 – долото; 2 – выдвижные лопатки; 3 – корпус; 4 – верхний стабилизатор; 5 – труба; D д – диаметр долота; H – выход лопатки из корпуса; D o – диаметр корпуса; D ц – диаметр стабилизатора P p H R l 1 l 2 L P от 1 2 3 4 5 2R д 2R o j 2R д Привод лопаток 1 гидравлический, осуществляемый за счет последовательной подачи бурового раствора в соответствующие гидрокамеры. Для увеличения угла отклонения каждая лопатка 1, проворачиваясь и находясь в нижней части ствола, нажимает на нижнюю сторону ствола, а для уменьшения угла каждая лопатка 1 нажимает на верхнюю часть ствола. Команды, направляемые при помощи телеметрии по гидроимпульсному и электромагнитному каналам связи, определяют время и силу срабатывания башмака 1. Блок управления 3, расположенный над блоком отклонения 5, приводит в действие поворотную заслонку 6, которая закрывает или открывает канал для подачи бурового раствора в камеры с лопатками 1 в соответствии с поворотом бурильной колонны. Система синхронно изменяет интервал воздействия и усилие, с которым лопатка 1 воздействует на стенку скважины, тем самым направляя долото 4 в требуемом направлении. Долото 4 обеспечивает отклонение ствола фрезерованием стенки скважины боковым вооружением. Таким образом, значительная роль в процессе искривления данным типом РУС отводится долоту, которое должно отвечать определенным требованиям. В соответствии со схемой на рис 2 радиус кривизны ствола скважины, реализуемый РУС с радиальным смещением долота можно определить из формулы 2 3 4 5 1 Рис. 3. Схема роторной управляемой системы с отклонением долота: 1 – выдвижные лопатки; 2 – стабилизатор; 3 – блок управления; 5 – блок отклонения; 4 – долото; 6 – заслонка 6 Р р Р р Р от h l l R 2 1 5 , 0 , (1) где, L R R l R R H h ц д o д 1 Формула (1) получена из условия вписываемости отклонителя в искривленный ствол скважины без деформирования корпуса. Именно поэтому по формуле (1) можно определить минимальной значение радиуса кривизны и соответственно минимальное значение интенсивности искривления ствола при заданных значениях параметров. В то же время в процессе фрезерования стенки скважины значительную роль играет фрезерующая способность долота под действием отклоняющего усилия Р от В этом случае интенсивность искривления может определяться по формуле (2), а радиус кривизны по зависимости L v v R ф б , (2) из которой следует, что формируемая кривизна существенно зависит от скоростей бурения v б и фрезерования стенки скважины v ф . Для удовлетворения требуемым параметрам набора кривизны, радиус кривизны, рассчитанный по формуле (1) может быть получен только при определенных скоростях бурения фрезерования. Отклоняющая сила, действующая в направлении фрезерования РУС будет зависеть от размеров и давления промывочной жидкости в дроссельно- циркуляционной системе отклонителя и может определяться по формуле L l S L l Р P 2 2 2 п ж 2 р от , (3) где ρ ж – давление промывочной жидкости в гидрокамере над выдвижным башмаком, МПа; S п – площадь выдвижной лопатки со стороны гидрокамеры , м 2 ; L – длина РУС, м; l 2 – расстояние от выдвижной лопатки до стабилизатора отклонителя. Расчеты по формуле (1) для РУС с R д = 147,65 мм, R о = 122 мм, R ц = 140 мм, l 1 = 0, 7 м, l 2 = 2,5 м позволяют определить значения радиусов кривизны, которые изменяются от 152 м до 350 м при выдвижении лопатки на расстояние Н = 30–26,75 мм. [1] 2.3. Принцип работы РУС типа «Point the bit» В РУС реализующих механизм перекоса долота – (point-the-bit) используют внутренний изгиб вала отклонителя для изменения направления скважины. В такой системе точка изгиба вала находится внутри корпуса над долотом. Ориентация изгиба вала контролируется с помощью серводвигателя, который вращается с той же скоростью, что бурильная колонна, но в обратном направлении. Это позволяет сохранить геостационарную ориентацию торца бурового инструмента при вращении колонны. Радиус искривления скважины для РУС с изменением перекоса долота, при отсутствии деформации корпуса, определяется выражением. sin 2 L R , (4) где β – угол наклона отклонителя к оси скважины, град. Угол β определяют по формуле 1 ц д 2l D D arctg Угол γ создается при изгибе вала отклонителя и может определяться по формуле 2 3 2 1 3 l , (5) где Δ – угол отклонения вала при изгибе, град; 2 l a ; 2 l b Для системы Geopilot, имеющей следующие параметры: a = b = 2, 25 м; l 1 = 0,8 м; l 2 = 4,5 м; D o = 244 мм, значения радиусов искривления при бурении долотом диаметром 295,3 мм и различных прогибах вала отклонителя приведены в табл. 1. Таблица 1 - Расчетные данные радиуса искривления РУС Geopilot Диаметр центратора D ц , мм 244 280 Прогиб вала Δ, мм 4 5 6 2 3 4 5 Угол перекоса γ 1,75 2,18 2,62 0,87 1,31 1,75 2,18 Радиус искривления R, м – 438 194 475 200 126 93 В системе РУС с изменением направления перекоса или позиционирования долота (point-the-bit) используются механизм управления с эксцентриковой втулкой. [1] Схема работы устройства данного типа показана на рис. 5. Эксцентриковая втулка 1 имеет возможность поворота как вокруг собственной оси в направлении η, так и вокруг оси корпуса-статора 2 РУС в направлении τ. Вал-ротор 3 РУС, на котором установлено долото 5, вращается внутри эксцентриковой втулки 1 с частотой ω. Корпус-статор D д D ц Рис. 4. Схема для расчета радиуса искривления РУС с изменением направления перекоса долота : 1 – долото; 2 – корпус; 3 – стабилизатор; 4 – труба; 5 – вал отклонителя; D д – диаметр долота; D o – диаметр корпуса; D ц – диаметр стабилизатора 1 2 3 4 R l 1 l 2 L 3 Δ а b γ D o 5 РУС фиксируется в скважине при выдвижении плашек 4. Проворот эксцентриковой втулки 1 осуществляется с помощью сервомеханизма, работа которого управляется электронным блоком по команде от управляющего процессом компьютера. Поворот эксцентриковой втулки 1 приводит к отклонению оси вала-ротора 3 от центральной оси корпуса 2 РУС на величину зазора Δ и долото 5 получает перекос в ту или иную сторону, в зависимости от положения втулки 1 внутри корпуса-статора 2 РУС. Рис. 5. Схемы работы РУС с позиционированием долота: a – положение системы, определяющей прямолинейное направление бурения; б, в – положения системы, определяющей изменение направления бурения; 1 – эксцентриковая втулка; 2 – корпус- статор; 3 – вал-ротор; 4 – выдвижные плашки; 5 – долото; 6 – направление искривления скважины; 7 – схема РУС при прямолинейном бурении; 8, 9 – схемы РУС при изменении направления бурения 1 4 2 3 4 4 3 6 6 а б в η τ ω ω ω 4 4 4 7 8 9 1 1 1 5 5 5 3 3 3 Δ Δ На рис. 5, а дана схема соответствующая случаю бурения без искривления, при котором внутреннее отверстие эксцентриковой втулки 1, вал 3 соосны корпусу 2 РУС (Δ=0), а долото 5 не имеет перекоса. В иных случаях, проиллюстрированных рис. 4.51, б, в, эксцентриковая втулка 1, проворачиваясь, занимает такую позицию в корпусе РУС, которая обеспечивает изгиб вала 3, перекос долота 5, изменение направления бурения и искривление скважины в направлениях, указанных на схемах (позиция 6). На рис. 6 приведена иная схема управления изгибом ведущего вала РУС за счет поперечного отклонения симметричной кольцевой втулки. Такой вариант исполнения возможен, но требует иного, несколько более сложного привода системы, которая должна осуществлять поперечное силовое перемещение втулки с валом, что в ограниченных пределах корпуса отклонителя затруднено. Рис. 6. Схема работы отклоняющего узла и набора кривизны РУС с позиционированием положения долота: а – положения вала 1 при бурении без отклонения; б – положение вала 1 при изменении направления скважины; 2 – направления искривления скважины Δ ω ω ν ν 2 а б 1 3 ОБЗОР РОТОРНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМ ВЕДУЩИХ КОМПАНИЙ 3.1 Управляемая система DART компании Андергейдж Управляемая роторная система DART (рисунок 7) (Downhole Adjustable Rotary Tool) представляет собой 100% механический инструмент для бурения скважин по плавным кривым траекториям с постоянной интенсивностью изменения угла. Искривление по принципу трёхточечной стабилизации обеспечивается путём приложения постоянного бокового усилия от несоосного стационарного стабилизатора к долоту. В процессе бурения направление долота поддерживается невращающимся масс-эксцентриком, который за счёт силы тяжести постоянно находится в подвешенном состоянии. Прекос долота производится при отрыве долота от забоя при выключенных насосах и, в среднем, занимает не более 3 минут. Механизм ориентации торца Сердечник Невращающийся Соосный Несоосный Скребок Долото масс-эксцентрик стабилизатор стабилизатор Рисунок 7 – Роторная управляемая система DART Система DART включает следующие элементы и устройства: 1) сердечник, проходящий сквозь инструмент для передачи крутящего момента и вращения долота; используется как часть механизма изменения ориентации долота; 2) скребок, который является частью сердечника и вращается вместе с ним. Диаметр скребка меньше диаметра долота, и обычно скребок не касается стенок ствола. Он предназначен для удаления всех уступов, образующихся в процессе бурения и способных затруднить продвижение невращающихся стабилизаторов (соосного и несоосного); 3) несоосный (управляющий) стабилизатор полноразмерный, немного смещённый по отношению к оси сердечника. Это смещение создаёт боковое усилие на долото, позволяющее управлять траекторией ствола в трёх измерениях; 4) соосный стабилизатор создаёт третью точку опоры для реализации трёхточечной стабилизации, которая необходима для точного и предсказуемог помощью системы DART. Также этот стабилиз масс-эксцентрика. На рисунке 8 показан пример принципа действия системы: несоосный стабилизатор передаёт на долото боковое усилие, к инструмента на 45 градусов вправо от точки зен осуществляется именно по этому вектору. Рисунок Для изменения перекоса долота отрывают долото от забоя и прекращают вращения колонны; останавливают насосы; вращают бурильную колонну на количество щелчков ротора, необходимое для установки новой ориентации торца (каждый смещает вектор бурения вправо на 2,25 град.); прекращаю достижении заданной ориентации торца; запускают насосы и на циркуляцию с обычным рас несоосный (управляющий) стабилизатор – мерный, немного смещённый по отношению к оси сердечника. Это смещение создаёт боковое усилие на долото, позволяющее управлять траекторией ствола в трёх измерениях; оосный стабилизатор – концентрический, также невращающийся, даёт третью точку опоры для реализации трёхточечной стабилизации, которая необходима для точного и предсказуемого управления компоновкой с щью системы DART. Также этот стабилизатор принимает на себя вес показан пример принципа действия системы: несоосный стабилизатор передаёт на долото боковое усилие, которое направляет торец струмента на 45 градусов вправо от точки зенита. Таким образом, бурение ществляется именно по этому вектору. Рисунок 8 – Принцип действия системы перекоса долота выполняют следующие действия: вают долото от забоя и прекращают вращения колонны; останавливают насосы; вращают бурильную колонну на количество щелчков ротора, необходимое для установки новой ориентации торца (каждый рения вправо на 2,25 град.); прекращаю достижении заданной ориентации торца; запускают насосы и на циркуляцию с обычным расходом; продолжают бурение скважины. невращающийся, мерный, немного смещённый по отношению к оси сердечника. Это смещение создаёт боковое усилие на долото, позволяющее управлять еский, также невращающийся, даёт третью точку опоры для реализации трёхточечной стабилизации, о управления компоновкой с атор принимает на себя вес показан пример принципа действия системы: несоосный оторое направляет торец ита. Таким образом, бурение олняют следующие действия: вают долото от забоя и прекращают вращения колонны; останавливают насосы; вращают бурильную колонну на количество щелчков ротора, необходимое для установки новой ориентации торца (каждый щелчок ротора рения вправо на 2,25 град.); прекращают вращение по достижении заданной ориентации торца; запускают насосы и начинают ходом; продолжают бурение скважины. Если при остановке насосов бурильную колонну не вращают ротором, то перекос долота останется неизменной. При необходимости ориентации торца по точке зенита выполняют следующее: отрывают от забоя и прекращают вращения колонны; останавливают насосы; вращают колонну на более чем 180 градусов. Каждый щелчок ротора смещает ориентацию торца системы на 2,25 градуса по часовой стрелке. Колонну вращают ротором до тех пор, пока торец не будет направлен на точку зенита. Вращение колонны на более чем 180 градусов гарантированно доведёт ориентацию торца до точки зенита, вне зависимости от первоначальной ориентации. После этого привод механизма ориентации торца отключается, и торец остаётся ориентированным по точке зенита. Дальнейшее вращение колонны не может повлиять на ориентацию торца. |