НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ И КЕРНОМЕТРИЯ

Технические средства для снижения естественного искривления скважин

Компоновки для снижения естественного искривления скважин

при колонковом бурении

Наиболее распространенным техническим решением по снижению естественного искривления скважин при бурении с отбором керна является центрирование колонковых наборов. Для снижения интенсивности естественного искривления скважин эффективной может быть достаточно простая буровая компоновка, включающая кернорватель-центратор над коронкой, втулку-центратор в верхней части набора и ниппель-центратор в средней его части. Использование центрирующих наборов позволяет в 2,5 раза снизить искривление скважин и повысить выход керна.

При определении мест установки центраторов буровой компоновки можно использовать результаты изучения износа колонковых труб при проходке скважин в конкретных горно-геологических условиях.

Основным недостатком жестких центрированных буровых компоновок является быстрый износ центраторов (ресурс 35-50 м), что снижает эффективность их использования и значительно увеличивает затраты на бурение.

Колонковый набор ТСБИС (рис. 6.1, а) для бурения скважин диаметром 76 и 59 мм имеет повышеный (до 120-150 м) ресурс за счет исполнения верхнего центратора 1 с невращающимся при бурении корпусом (рис. 6.1, б). В состав ТСБИС входит также нижний гидродинамический центратор 2 с каналами для прохода промывочной жидкости, нарезанными по винтовой линии.

Центрирование нижней части снаряда происходит как за счет минимального зазора между центратором 2 и стенкой скважины, так и вследствие возникновения при высокой частоте вращения колонны гидродинамического центрирующего эффекта. На колонковой трубе выполнены наплавки релита или сормайта 3 длиной 3-6, шириной 0,8-1,2 см, расположенные на поверхности трубы в шахматном порядке.

В ПГО «Сосновгсология» достаточно эффективными показали себя компоновки, состоящие из стандартного колонкового набора 1 и размещаемых над ним специальных труб 2 с центрирующими вставками 3 из твердого сплава.

Рис. 6.1. Схемы колонковых наборов для снижения интенсивности естественного искривления: а - колонковый набор с центраторами; б - компоновка ТСБИС; в - колонковый набор с четырехгранным стабилизатором или с трубами со смещенным центром тяжести

поперечного сечения

Трубы 2 могут использоваться одновременно в составе буровых компоновок и при бурении шарошечными долотами (рис. 6.1, в).

В одном из вариантов использовался четырехгранный стабилизатор 2 (II вариант поперечного сечения А-А), в других - трубы со смещенным центром тяжести - одногранные (I вариант сечения А-А) и двухгранные (компоновка с поперечным сечением А-А, вариант III), что позволяло получить компоновку со смещенным центром тяжести поперечного сечения (КСМ). Четырехгранный стабилизатор позволяет снизить искривление, так как уменьшается изгиб колонкового набора за счет центрирования его верхнего конца и снижения величины изгибающего момента, действующего со стороны колонны бурильных труб на буровую компоновку.

Применение КСМ позволяет буровому набору в скважине при бурении двигаться в режиме близком к вращению вокруг оси скважины, что приводит к снижению искривления скважин, вибрации бурильной колонны, затрат мощности на бурение и повышению механической скорости бурения.

Применение центрированных буровых компоновок для снижения искривления скважин будет более эффективно, если над ними установить высокочастотный гидроударник типа ГВ. В этом случае эффект по снижению искривления скважин повышается за счет роста механической скорости бурения при умеренных осевых нагрузках, снижения подклинивания керна, улучшения условий работы бурильной колонны.

Компоновки для алмазного бурения снарядами со съемным

керноприемником

При бурении снарядами со съемным керноприемником проблема естественного искривления является актуальной. Анализ закономерностей искривления скважин буримых ССК позволяет сделать следующие основные выводы.

• 1. Скважины, буримые ССК, имеют характер и закономерности искривления, аналогичные таковым при обычном алмазном бурении.
• 2. При снижении диаметров коронок ССК интенсивность искривления, как правило, увеличивается. Например, интенсивность зенитного искривления на месторождениях в Таджикистане: Дальнее при бурении ССК-59 ц = 0,48 град/ 100 м, ССК-46 - 0,63; Кызкырбулак при бурении ССК-59 ц - 0,35, ССК-46 - 0,8 град/м.

При бурении глубоких скважин снарядами ССК типоразмера N9 и ВО в Родезии отмечено, что более жесткая колонна N0 (69,8 мм) меньше искривляет ствол, чем ВО (55,6 мм). Применение простейших стабилизаторов колонкового набора позволило снизить интенсивность искривления при бурении колонной ВО с 17 до 8 град/100м. При бурении колонной N0 интенсивность искривления в среднем составила 4,16 град/100 м.

3. Увеличение осевых нагрузок приводит к росту интенсивности искривления скважин, буримых ССК, причем рост более значителен в случае бурения в сложных горно-геологических условиях, что является следствием увеличения деформации колонкового набора - повышения прогиба колонкового набора и угла перекоса инструмента на забое. Поэтому основные мероприятия по снижению искривления стволов скважин должны быть направлены на предотвращение потери устойчивости труб колонкового набора и обеспечение их вращения без перекоса по отношению к оси скважины. Первое может быть достигнуто снижением осевых нагрузок с одновременным ростом частоты вращения колонны. Оптимальное сочетание частоты вращения и нагрузки в ряде случаев обеспечивает желательный эффект по снижению искривления скважин. При этом значительную роль при определении рациональных параметров режима бурения играет правильный подбор коронки для бурения, твердость матрицы которой должна соответствовать типу горной породы, обеспечивая своевременное обнажение алмазных резцов и возможность бурения на умеренных осевых нагрузках. Снижение осевых нагрузок при бурении скважин в условиях естественного их искривления можно обеспечить применением тонкоматричных алмазных коронок. Зарубежные компании, такие как Atlas Copco, Boart Longyear, производят специальные ССК, в которых используются коронки с утонченными матрицами, что повлекло за собой изготовление и тонкостенных колонковых наборов типоразмера AQ, BQ, NQ, HQ.

Как показал опыт применения ССК с утонченными матрицами при пониженных осевых нагрузках и высоких частотах вращения колонны (1100-1400 мин’¹) обеспечивается снижение интенсивности искривления скважин до минимальных значений (1-3 град/100 м), достигается повышение механической скорости бурения и увеличение размера керна.

4. Увеличение механической скорости бурения за счет роста частоты вращения колонны и других технологических мероприятий, исключающих

Рис. 6.2. Схема распределения напряжений под торцом коронки с У-профилем:

1 - линии напряжений от резцов каждой грани выступа; 2 - линия суммарных напряжений

повышение осевого усилия, ведет к снижению интенсивности искривления скважин. Например, отмечено, что если механическая скорость бурения ССК-46 в 1,5-2,0 раза превышает механическую скорость бурения ССК-59, то интенсивности искривления этими снарядами равны или при бурении ССК-46 меньше.

• 5. В сложных геолого-технических условиях бурения интенсивность искривления скважин, буримых ССК, может быть весьма значительной (до 9-10 град/100 м). При бурении скважин в Семипалатинской экспедиции отмечено, что скважины, буримые ССК, стремятся занять тот же угол встречи с напластованием пород, что и скважины обычного алмазного бурения, только происходит это более интенсивно. Максимальные значения интенсивности искривления ССК-59 достигали /сск — 1,01 град/10 м, а при обычном алмазном бурении /_аб=0,54 град/10 м. Причинами более интенсивного искривления скважин, буримых ССК, в сложных горно-геологических условиях, являются увеличенная (на 60%) площадь, а также конусно-ступенчатая форма торца коронок (данные А. И. Уржумова).
• 6. Для снижения искривления скважин, буримых ССК более рациональны закругленные, плоские или гребешковые (W-профиль) формы торца коронок (рис. 6.2). Это связано, во-первых, с тем, что, W-профиль создает свободные поверхности разрушаемой породы, а следовательно позволяет бурить достаточно производительно при умеренных осевых нагрузках. Во-вторых, форма профиля способствует соосному со скважиной положению коронки на забое без значительных поперечных перемещений и ударных воздействий на керн. И наконец, W-профиль достаточно рационально «организует» напряжения под торцом, направляя их, прежде всего, навстречу под прямым углом от плоскостей торцевых граней, что предохраняет от излишних напряжений и разрушения керн и стенку скважины.

Импрегнированные коронки ССК типа Craelius, Hobic (Atlas Copco), а-bit (Boart Longyear) различной конструкции оснащаются W-профилем, который может иметь разнообразные размеры и твердость матриц.

Сравнительное бурение коронками К-01 (ступенчатый внешний конус) с коронками БС-09 с двойным конусом показало, что наблюдается существенное снижение искривление при бурении коронками БС.

Компания Boart Longyear для бурения в условиях искривления скважин предлагает однослойные коронки с двухступенчатым профилем типа F (пилотный профиль) и расширитель Premium Stabilized - стабилизированная версия расширителя Premium при необходимости бурения глубоких скважин с минимальным искривлением ствола.

На одном из месторождений ПГО «Запказгеология» КССК использовали как средство бурения направленных скважин. С этой целью проводили мероприятия по уменьшению деформации колонкового набора: на нижнем конце колонкового набора устанавливался расширитель, а на верхнем -комбинированный центратор, включающий твердосплавный центратор и алмазный расширитель. Интенсивность искривления скважин, проходимых снарядом КССК с центрированным набором, оказалась в 2,5 раза меньше интенсивности искривления ранее пробуренных обычным снарядом соседних скважин.

Повышение жесткости и соосности колонковых труб, их центрирование в скважине являются первоочередными и важнейшими мерами повышения устойчивости компоновок и снижения искривления скважин, буримых ССК.

Компоновки для ССК, снижающие естественное искривление скважин, разработаны ВИТР, КазИМС, ПГО «Востказгеология», «Ташкентгеология», «Кировгеология». Основное направление этих работ - создание центрирующих (жестких) колонковых наборов.

На рис. 6.3, а показана компоновка, разработанная в ПГО «Кировгеология». Центраторы 7 этой компоновки выполнены с применением вставок сверхтвердого материала славутич, что существенно повысило их ресурс. В компоновке использованы две профилированные шестигранные трубы 6 длиной до 600 мм, что позволило получить длинный центрирующий набор. Компоновка позволяет снизить интенсивность искривления скважин при бурении ССК-59 в 2-2,5 раза.

Центрирующие колонковые наборы конструкции ВИТР разработаны двух

4

Рис. 6.3 . Схемы центрирующих (жестких) компоновок ССК

модификаций. Набор первой модификации (рис.9.3, 6) состоит из двух наружных колонковых труб 4, между которыми расположен центратор 3 совместно с алмазным расширителем 2. Другой расширитель 2 и центратор 3 располагаются над коронкой I, а в верхней части набора переходник 5 с наплавками релита. Набор второй модификации отличается тем, что в средней части бурового набора расположен только центратор без расширителя. При этом даны рекомендации об установке третьей пары центраторов-расширителей в верхней части набора при его длине более 3,5 м. Центрирующие элементы центраторов выполнены в виде наплавок релита или сормайта.

На рис. 6.3, в представлена компоновка ЖК-5, разработанная в ПГО «Востказгеология». В компоновке ЖК-5 расширитель 2 установлен над профильной трубой 6, нижний твердосплавный центратор 3 выполнен более длинным, а его диаметр на 0,2-0,1 мм меньше диаметра коронки 1. Согласно исследованиям автора разработки, расстояние от торца коронки 1 до расширителя 2 в компоновке должно быть 1-2 м, а наиболее оптимальном по результатам испытаний оказалось расстояние 1,2 м. Ресурс компоновки ЖК-5 составляет 220-260 м.

Задача повышения ресурса коронок и центрирующих элементов компоновки ЖК-5 решена в Приморье. Наваривание полос на корпус коронок ССК с наклоном к оси корпуса (наклон в сторону, противоположную направлению вращения коронки) позволило повысить ресурс коронок на 21 %, снизить расход алмазов на 20 % и обеспечить более стабильную работу ЖК-5 по снижению искривления (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Компоновка ЖК-5 оснащенная коронкой со стабилизирующими ребрами: 1 - ЖК-5;

2 - стабилизирующие ребра; 3 - коронка

На рис. 6.3, г показана компоновка ССК-ТКСВ (труба колонковая стабилизирующая винтовая), разработанная в ПГО «Ташкентгеология». Особенность компоновки - наличие трубы с винтовой нарезкой 8, которая является гидромеханическим центратором-

стабилизатором набора и, кроме того, обеспечивает более эффективное удаление шлама из забоя. По данным разработчика, компоновка позволяет бурить скважины с минимальным искривлением (по зениту интенсивность - не более 1,3-1,6 град/100 м, по азимуту - 0,5-0,9 град/100 м). Ресурс компоновки 500-1000 м.

2

Примером подхода зарубежных компаний к разработке компоновки для ССК может являться компоновка Mini-Deve (рис.

6.3, д, е) канадской фирмы Whell Trucing Tool.

Компоновка выпускается четырех типоразмеров AQ (диаметры коронки

наружный и внутренний - 47,6/27,0; колонны 44,5/34,9), ВО (59,6/36,4; 55,6/49,5), N0 (75,3/47,6; 70/60,3) , НО (96,1/61,1; 88,9/77,8). В состав компоновки (рис. 6.3, д - компоновка разобрана, рис. 6.3, е - собрана) входят коронка 1, оригинальный расширитель 2¹, имеющий удлиненный корпус, на который надевается втулка 9. Наружный диаметр этой втулки близок к диаметру расширителя 2¹. Между верхней частью корпуса расширителя 2¹ и внутренней поверхностью втулки 9 образуется канал для прохода жидкости, которая выходит через отверстия во втулке 9. Выше втулки 9 ставятся два-три 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 снарядом МтьОеуе и стенками скважины составляет не более 0,15 мм.

Компоновки для управления направлением горизонтальных скважин

Одной из основных тенденций при искривлении горизонтальных, пологовосстающих и пологонаклонных скважин является их выкручивание и отклонение по азимуту влево.

Для устранения выкручивания горизонтальной скважины может использоваться буровая компоновка, действие которой основано на эффекте «рычага» (рис. 6.5). Отклоняющее усилие, нейтрализующее вес призабойной части колонны, обеспечивает фрезерование стенки скважины в направлении выкручивания и может определяться из зависимости

(6.1)

где С_с - вес колонковой трубы выше опоры (расширитель), переходника и УБТ, кН;

/] И /2 ^—

плечи «рычага» -расстояния от мест приложения сил До и (7_С до опоры, м.

Для стабилизации направления скважины

по азимуту колонковый набор рекомендуется центрировать тремя центраторами, которые устанавливаются в нижней, верхней и центральной частях бурового набора.

?

а

ш

/-

Рис. 6.5. Схема компоновки для бурения горизонтальных скважин: 1 - утяжеленная бурильная труба; 2 - переходник; 3 - колонковая труба; 4 - расширитель (опорно-центрирующий элемент); 5 - коронка

Буровые компоновки для бурения шарошечными долотами Наиболее распространенным техническим средством для снижения интенсивности естественного искривления скважин при бескерновом бурении шарошечными долотами малых диаметров является компоновка с трехгранным стабилизатором, предложенная КазИМСом. Компоновка успешно применялась в ПГО «Кировгеология», «Сосновгеология» и др. организациях.

Схема компоновки с трехгранным стабили-затором представлена на рис. 6.6, а. В компоновку входит долото 1, центратор 2, трехгранный стабилизатор 3, твердосплавные вставки 4, размещаемые в щелевидных фрезерованный канавках. При использовании компоновки рекомендуется применение гидроударника ГВ-5 или ГВ-6. Трехгранный стабилизатор 3 изготавливается из толстостенной трубы обра-зованием трех лысок и канавок на ребрах трубы для размещения и припаивания твердосплавных вставок. Твердосплавные вставки 4 могут размещаться в канавках по схеме в соответствии с рис. 6.6, а.

а

6

Рис. 6.6. Схемы компоновок для бурения шарошечными долотами: 1 - долото;

• 2 - центратор; 3 - трехгранный стабилизатор (сечение А-А) или труба со смешенным центром тяжести поперечного сечения (сечение Б-Б);
• 4 - центрирующие элементы; 5 - гидроударник

ГВ

Диаметр стабилизатора за счет размещения твердосплавных вставок 4 равняется диаметру долота 1, в то же время твердосплавные

вставки 4 служат для защиты стабилизатора от износа.

В ПГО «Киров-геология» трехгранные стабилизаторы (УСЦ), изготовленные из толстостенных труб, выпускали трех типоразмеров для бурения скважин диаметром 76, 59 и 46 мм. Грани компоновки армированы твердым сплавом ВК-8.

Как показал опыт эксплуатации трехгранных компоновок, для успешного их применения достаточно иметь над долотом один стабилизатор длиной 6 м.

По результатам работ ПГО «Сосновгеология» компоновки с трехгранными стабилизаторами позволяют

успешно бурить скважины в сложных геологических условиях, при этом:

• - обеспечивается снижение интенсивности естественного искривления в 2-3 раза;
• - улучшаются условия работы долот, что проявляется в увеличении углубления за рейс на 10-20 %;
• - компоновки имеют более значительный ресурс при оснащении граней твердым сплавом (около 500 м с двумя реставрациями резьбовых соединений).

Основным недостатком компоновок с центраторами является небольшой ресурс центрирующих элементов и соответствующее снижение эффективности по стабили-зации направления скважин.

Достаточно эффективна при бурении шарошечными долотами буровая компоновка КСМ (рис. 6.6, б). В состав компоновки КСМ входит долото 1, центратор 2, труба со смещенным центром тяжести 3 с твердосплавными вставками 4 и гидроударник 5.

Применение КСМ при бескерновом бурении позволяет:

• - уменьшить искривление скважин в 3-5 раз;
• - увеличить проходку на долото на 10-40 % за счет уменьшения вибрации и ударных нагрузок на долото при бурении;
• - увеличить механическую скорость бурения на 5-6 % за счет изменения характера работы долота и нижней части колонны (трансформация вида движения от вибрационного к равномерному обращению вокруг оси скважины);
• - повысить ресурс компоновки до 500-600 м, причем по мере износа центрирующих граней компоновок КСМ их эффективность по снижению искривления скважин уменьшается незначительно, что выгодно отличает данные технические средства от центрирующих компоновок;
• - бурильная колонна с КСМ работает в скважине с минимальной вибрацией, что обеспечивает более высокие показатели бурения.

Роль гидроударника 5 при бурении шарошечными долотами состоит в том, что обеспечивается повышение механической скорости бурения - фактора, снижающего кривизну скважины, а шлицевой разъем ГВ выполняет функцию шарнирного соединения, снижающего влияние прогиба бурильной колонны на деформацию компоновки, а это повышает её ресурс и стабилизирующую способность.