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.
|
|
Порядок действий для установки нового вектора бурения после ориентации торца по точке зенита: прекращают вращение ротором; совершают рабочий цикл насосов (т. е. запускают насосы, доводят подачу раствора до обычного для бурения уровня, поддерживают циркуляцию в течение 20 секунд, затем снова останавливают насосы). Эта процедура вновь включает привод механизма ориентации системы, и дальнейшая ориентация торца производится в обычном режиме посредством вращения колонны на требуемое количество оборотов. Бурение наклонных участков с применением системы DART производится путём поочередной ориентации торца в противоположных направлениях. Поскольку изменение ориентации торца при помощи системы DART производится легко и быстро, эта процедура не приводит к увеличению времени бурения и позволяет получить прямой ствол скважины. Технические характеристики системы DART приведены в таблице 2. Таблица 2 – Технические характеристики системы DART Характеристика Значение Диаметр инструмента, мм 120,6 для бурения скважин 149,2-171,5 мм Длина, м 8,23, включая наддолотный и первый колонный калибратор Интенсивность набора угла, град./30 м 3 0 /30 м (возможна регулировка под мень- шую интенсивность) Объём подачи раствора, л/с 9,5-18,9 Внутренний диаметр, мм 28,57 Максимальная температура, 0 С 150 Максимальная осевая нагрузка, кН 13,6 Максимальная скорость вращения, об./мин. 220 Максимально допустимая интенсивность 25 град./30 м (без вращения) искривления, град./30 м В таблице 3 приведено сравнение результатов бурения двух контрольных стволов скважин диаметром 155,6 мм компоновкой с забойным двигателем и ствола, пробуренного с применением системы DART на Ближнем Востоке. Таблица 3 – Сравнение результатов бурения Длина по стволу Проходка, м Время Средняя скорость от-до, м бурения, ч проходки, м/ч Контрольная скважина, 1747-4303 2556 152,25 16,7 участок 1 Контрольная скважина, 1752-4255 2503 113,75 20,5 участок 2 Секция DART 1727-4220 2493 61,25 40,7 Сравнение результатов бурения двух контрольных стволов диаметром 155,6 мм при помощи управляемых компоновок с забойным двигателем и ствола, пробуренного с применением системы DART, показывает, что скорость проходки увеличена вдвое по сравнению с контрольными скважинами. Все участки пробурены по идентичным породам на одинаковой глубине. Во всех компоновках, включая систему DART, использовались конические шарошечные долота. [12] 3.2 Роторные управляемые системы Geo-Pilot и EZ-Pilot компании Sperry-Sun В управляемой роторной системе Geo-Pilot (рис. 9) используется управляемый отклонитель, состоящий из цельного вала, расположенного между долотом и верхней частью инструмента. Рисунок 9 – Управляемая система вращательного бурения Geo-Pilot Выполненный из нержавеющей высокопрочной стали вал имеет внутренний канал для прохода бурового раствора. Компактный и прочный отклоняющий узел, размещённый внутри не вращающейся верхней части корпуса передаёт контролируемое отклонение на вал через два вращающихся эксцентриковых кольца. Связь с эксцентриковыми кольцами сверху и снизу осуществляется с помощью двух систем привода. В результате действия одного или обеих систем привода кольца поворачиваются вместе или по отдельности и отводят вал в сторону по осевой линии корпуса, заставляя вал искривляться и ориентировать долото в направлении заданного угла установки отклонителя. Специально сконструированные вращающиеся уплотнения внутри корпуса не позволяют буровому раствору попадать внутрь системы, а смазочной жидкости вытекать наружу. Секция вала, проходящая через корпус, опирается на верхний подшипник фиксированного конца, подшипник радиальной опоры и нижний плавающий подшипник. Когда эксцентриковые кольца изгибают вал, то вал изгибается между верхним подшипником фиксированного конца, который не даёт валу изгибаться выше себя и нижним плавающим подшипником, который позволяет долоту отклоняться в любом заданном направлении и свободно вращаться. Так как основная нагрузка на долото передаётся через корпус, то благодаря этому вал можно сделать более тонким и управляемым. Чтобы обеспечить максимальный срок службы и надёжность системы Geo-Pilot, подшипники уплотнения и другие внутренние движущиеся детали погружены в смазочное масло. А так как оборудование работает изолированно от промывочной жидкости, то проблемы совместимости с буровым раствором практически отсутствует. Расположенный в верхней части компоновки компактный прочный компьютеризированный блок осуществляет контроль за отклонением вала. Это позволяет непрерывно управлять направлением движения долота. Таким образом, в самой скважине становится возможным регулирование направления бурения и желательного темпа набора кривизны. Усовершенствованные датчики с питанием от долговечной внутренней батареи отслеживают положение долота, скорость вращения колонны и внутренние параметры оборудования. Типичная компоновка для бурения с системой Geo-Pilot приведена на рисунке 10а. Система предназначена для использования с алмазным долотом с расширенной калибровочной частью. Ещё одной разработкой Sperry Компоновка с системой EZ Устройство для изменения угла Корпусное долото с расширенной калибровочной а) частью Рисунок 10 – а – компоновка управляемой системы вращательного бурения Geo б – компоновка с РУС компании Система EZ-Pilot – стабилизатор, состоящий из трёх основных элементов, включая эксцентриковую внутреннюю втулку и утяжелённый невраща наружный корпус. Технические характеристики системы EZ Ещё одной разработкой Sperry-Sun является система ка с системой EZ-Pilot приведена на рисунке 10б. Интерфейс системы сбора данных в процессе бурения (MWD) Спиральный стабилизатор Поправочный стабилизатор Невращающийся кожух Устройство для изменения угла наклона Корпусное долото с расширенной калибровочной частью б) – Роторные управляемые системы компании Sperry компоновка управляемой системы вращательного бурения Geo компоновка с РУС компании Sperry-Sun – это оборудованный аппаратурой, наддолотный лизатор, состоящий из трёх основных элементов, включая эксцентриковую внутреннюю втулку и утяжелённый невраща Технические характеристики системы EZ-Pilot приведены в таблице ется система EZ-Pilot. Роторные управляемые системы компании Sperry-Sun: компоновка управляемой системы вращательного бурения Geo-Pilot; аппаратурой, наддолотный лизатор, состоящий из трёх основных элементов, включая эксцентриковую внутреннюю втулку и утяжелённый невращающийся Pilot приведены в таблице 4. Таблица 4 – Технические характеристики системы EZ-Pilot Характеристика Система 850 Система 1225 Номинальный наружный диаметр 171 203 инструмента, мм Диаметр ствола скважины, мм 212,7-250,8 304,8-374,7 Максимальный наружный диаметр наружного 205,7 279,4 корпуса, мм Длина, м 3,69 м 3,57 Номинальный вес инструмента 816,4 952,5 (в воздухе), кг Проектная интенсивность искривления при 8 8 зарезке из вертикального участка, град./30 м Максимальная интенсивность искривления 10 10 во время проработки, град/30 м Максимальный крутящий момент на валу, 18,7 66,5 кН*м Интервал скоростей вращения (об./мин.) 30-280 30-280 Максимальная расход (л/с) 88 88 Максимальная нагрузка на долото, кН 200 400 Вибрация Согласно спецификациям LWD Sperry Совместим с большинством буровых растворов; успешно используется с Тип бурового раствора буровыми растворами на водной, углеводородной основе, синтетической основе и силикатными буровыми растворами Максимальное содержание песка, % 3 3 по объёму Номинальная рабочая температура, ° С 150 125 Номинальное рабочее давление, кПа 138 124 Линия связи Sperry DWD (инклинометрия в процессе бурения) Точность и интервал изменения зенитного ± 0,1°; интервал ± 0,1°; интервал изменения угла изменения угла угла 0-110° 0-110° Место установки датчика измерения углов 8,54 8,54 (средняя), м Место установки наддолотного датчика 2,29 1,74 ABI™, м Источник питания Литиевые батареи Внутренний диаметр, мм 50,8 50,8 Инструмент работает, контролируя направление эксцентрика внутренней втулки, которая смещает вал и, соответственно, долото в заданном направлении. [9] Вращение внутренней втулки с целью изменения ориентации торца бурильного инструмента выполняется двигателем постоянного тока со сверхвысоким крутящим моментом, работающего от литиевого аккумулятора. Расположение наружного корпуса постоянно отслеживается компьютером, и инструмент автоматически поправляет положение эксцентрика внутренней втулки при необходимости сохранения соответствующей ориентации торца бурильного инструмента. Заданная координата торца бурильного инструмента устанавливается посредством простых команд скорости вращения, направляемых с поверхности в электронный модуль, установленный в инструменте. С помощью системы EZ-Pilot можно избежать дополнительных расходов, связанных с использованием отдельной системы передачи данных. Инструментом можно осуществлять бурение в любом заданном направлении или бурить по прямой. Преимуществом системы EZ-Рilot является простота в применении. 3.3 Системы PowerDrive Xtra компании Schlumberger с системой AutoTrak компании Baker Hughes Система PowerDrive Xtra компании Schlumberger с системой AutoTrak компании Baker Hughes представлены на рисунке 15. Системы используют механизмы автоматической ориентации и управляют траекторией скважины путём фрезерования стенки скважины. В системах расширяющийся, невращающийся стабилизатор обеспечивает статическое боковое усилие, приложенное к стенке скважины, что вызывает противодействующее усилие, приложенное к стабилизатору и долоту. Интенсивность искривления скважины определяется соотношением объёмов бокового резания и бурения в прямом направлении. В обеих системах на уровне долота ось вращения долота всегда расположена под углом по отношению к оси скважины. Величина этого угла определяется геометрией инструмента и радиусом кривизны скважины. [8] Основные блоки рассматриваемых РУС выделены на рисунке 11. Интегрированная система MWD замеряет зенитный угол и азимут, величину вибрации, обеспечивает связь с системой на поверхности. Скважинный компьютер производит сравнение данных, полученных системой контроля MWD с проектными характеристиками траектории, затем передаёт команду на наддолотный блок отклонения для корректировки курса. Передаёт данные на поверхность, получает команды по корректировке курса. Наддолотный сенсор отклонения следит за отклонением долота. Производит передачу данных забойной системе контроля MWD. Интегрированная система MWD Скважинный компьютер Наддолотный сенсор отклонения а) б) Рисунок 11 – Роторная система AutoTrak: а) основные компоненты системы; б) невращающийся расширяющийся стабилизатор Использование управляемых роторных систем PowerDrive Xtra для бурения скважин с большими отходами от вертикали позволило компании «Сахалинморнефтегаз» (СМНГ – дочерняя фирма компании «Роснефть») улучшить показатели производительности бурения и качество ствола по сравнению со скважиной, пробуренной по обычной технологии с использованием винтового забойного двигателя. Бурение скважин производилось с наземной кустовой площадки, расположенной на севере острова Сахалин. В соответствии с техническим заданием горизонтальное смещение точки входа в пласт составляло 4000 м от побережья острова (рис. 12). При бурении было задействовано 2 типоразмера управляемой роторной системы PowerDrive Xtra диаметром 228,6 мм и 171,5 мм. Скорость бурения при бурении под 311,1 мм колонну повысилась на 41%, при этом время на проработку и калибровку ствола скважины сократилось на 38%. Рисунок 12 – Профиль скв. №216 компании «Сахалинморнефтегаз» Использование системы PowerDrive Xtra обеспечило эффективное управление траекторией и высокую степень очистки ствола скважины, а также снижение момента вращения бурильной колонны. Благодаря применению системы PowerDrive Xtra удалось добиться значительного уменьшения числа «затяжек», что в дальнейшем способствовало успешному спуску обсадной колонны. При этом затраты времени на ориентированное бурение с винтовым забойным двигателем были полностью исключены. [12] Непрерывное вращение бурильной колонны позволило добиться сглаженной траектории скважины. 3.4 Power Drive X5 компании Schlumberger Роторные управляемые системы Power Drive X5 компании Schlumberger реализуют набор кривизны c отклонением долота (push-the-bit). РУС Power Drive X5 обеспечивают бурение полностью вращающейся роторной системой для осуществления наклонно-направленного бурения и проходки прямолинейных стволов. При этом конструкция РУС имеет возможность получения данных в режиме реального времени при использовании с телеметрическими системами Power Pulse и Power Scope. Роторные управляемые системы Power Drive X5 позволяют производить в процессе бурения: - измерение зенитного и азимутального углов в непосредственной близости от долота; - измерение уровня вибрации и ударной нагрузки КНБК; - измерение скорости вращения долота; -измерение гамма-излучения для геонавигации; Рис. 13. Роторная управляемая система перед спуском в скважину Направление давления на лопатку Направление искривления Направление вращения долота 2 1 Рис.14. Схема работы клапана: 1 – пластина с отверстиями; 2 – тарелка клапана - производить режим автоматического поддержания зенитного угла. Основные характеристики РУС Power Drive X5 приведены в табл. 5. Таблица 5 - Параметры РУС Power Drive X5 Параметры системы Типоразмер РУС Power Drive X5 475 675 825 900 1100 Диаметр, мм 146,1; 165,1 215,9 – 250,8 254 311,2 – 374,4 406,4 – 660, 4 Длина компоновки, м 4,56 4,11 4,45 4,45 4,6 Расстояние до калибратора (точка контакта) 3,05 3,11 4,02 3,65 3,69 Максимальная интенсивность ис- кривления, град/30 м 8 6,5 6 3 3 Расход промывочной жидкости, л/мин 813 –1514 813–1514 1817 – 7192 1817 – 7192 1817 – 7192 Максимальная частота вращени я, мин -1 250 220 220 200 200 Максимальное давление, кПа 137895 137895 137895 137895 137895 Конструкция клапана во всех отклонителях с отклонением долота аналогична и принцип его работы показан на рис. 18. 3.5 Power Drive Xceed 675 компании Schlumberger Роторная управляемая система Power Drive Хceed 675 предназначена для направленного бурения и может использоваться для забуривания новых направлений ствола скважины, бурения скважин увеличенного диаметра. РУС Power Drive Хceed 675 дает возможность получения данных в режиме реального времени при использовании с телеметрическими системами Power Pulse и Power Scope. Система позволяет автоматически поддерживать зенитный и азимутальный угол скважины, производить измерение зенитного и азимутального углов в непосредственной близости от долота, измерение скорости вращения долота. Диаметр долота 212,7–250,8 мм. Максимальная интенсивность искривления 8 град/30 м. Расход промывочного раствора 1098 – 3098 л/мин. Максимальная частота вращения 350 мин -1 . Длина компоновки 7,62 м. Расстояние до второго стабилизатора 3, 38 м, до первого 0,34 м. Power Drive Хceed 900. Диаметр долота 311, 2 – 444, 5 мм. [8] Основные характеристики РУС Power Drive Xceed приведены в табл.6. Таблица 6 - Power Drive Xceed 675 и Power Drive Xceed 900 Характеристики Power Drive Xceed 675 Power Drive Xceed 900 Номинальный наружный диаметр, мм 171,5 228,6 Диаметр ствола, мм 212,7–250,8 311,2–444,5 Максимальный наружный диаметр корпуса (муфта), мм 193,7 248,92 Минимальный внутренний диаметр (муфта), мм 99,9 133,4 Максимальная высадка наружу, мм 193,7 248,9 Крутящий момент на верхнем резьбовом соединении при пределе текучести, Н·м 31184 – 35251 56944 – 62368 Крутящий момент на нижнем резьбовом соединении при пределе текучести, Н·м 17626 – 20337 37963 – 43386 Максимальная интенсивность кривизны, °/30 м - при вращении - без вращения 8 15 6,5 12 Максимальная нагрузка на долото, Н 244652 366617 Максимальная рабочая частота вращения, мин -1 350 Максимальный рабочий крутящий момент, Н·м 27116 47454 Максимальная рабочая растягивающая нагрузка, Н 226800 340190 Максимальная ударная нагрузка, кН 4535,92 Макс. вибрационная нагрузка, g/Гц 250 Максимальное рабочее давление, кПа 137900 137900 Максимальная рабочая температура, °С 150 150 Подача турбин, л/мин 1098 – 1552 1363 – 2158 1798 – 3028 1703 – 2839 2271 – 4542 3407 – 6814 Максимальное содержание песка в буровом растворе, % 2 Немагнитный переходник да Магнитная проницаемость переходника незначительна Силовой модуль турбогенератор вырабатывает электроэнергию для питания системы управления и направляющей секции Система управления блок электроники и датчиков проводит измерения для контроля направляющей секции Направляющая секция непрерывно ориентирует наклонный шпиндель долота для контроля направления бурения и интенсивности кривизны ствола скважины γ 1 2 Р р l 4 АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ИСКРИВЛЕНИЯ ПРИМЕНЯЕМЫХ В РОТОРНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМАХ 4.1 Анализ механизма искривления основанного на асимметричном разрушении забоя, вследствие перекоса породоразрушающего инструмента На механизме искривления основанного на асимметричном разрушении забоя, вследствие перекоса породоразрушающего инструмента основаны роторные управляемые системы типа «Point the bit». Проанализируем данный механизм искривления. Интенсивность набора кривизны асимметричного разрушения забоя (рис. 7) определяется зависимостью: , 2 ) ( 3 , 57 l d D i к с a (6) где D |