Роторные управляемые системы

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 [1J. Данные системы являются наиболее совершенными, а в сочетании с системами телеметрии и геонавигации они превратились в совершенные беспилотные средства дистанционного управления направлением буримых скважин. Возможности этих систем впечатляют: при высочайших точности (±0,Г) и оперативности они 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, подобно современным беспилотным самолетам и вертолетам — дронам.

На рис. 4.41 приведена блок-схема современной забойной отклоняющей системы типа РУС.

Обладая автономным источником электрической энергии 4, подобные отклоняющие системы управляются с поверхности оператором через компьютер 10, который формирует сигнал, передаваемый посредством бурового раствора или электромагнитного излучения 8 до забойной компоновки, в которой через электронный блок 3 и систему 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 параметров бурящейся скважины и посредством электронного блока 6 и системы

Блок-схема забойной отклоняющей системы

Рис. 4.41. Блок-схема забойной отклоняющей системы:

7 — 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; 7 7 — прибор для визуального контроля процесса бурения на буровой преобразования сигнала 7 передает информацию на поверхность в блок приемки и усиления сигнала 9, далее в компьютер 10 и на прибор визуального контроля процесса бурения на буровой 11 к оператору. В результате такого взаимодействия формируется новое задание для корретировки направления скважины, которое и реализуется с высокой точностью.

Эффективность РУС определяется следующими обстоятельствами:

  • — улучшается вынос шлама, так как не создается 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 увеличивается 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, контактирующих с обсадной колонной, отклонителем или стенкой ствола скважины.

Системы RSS позволяют бурить пологие и горизонтальные скважины с плавным профилем из-за отсутствия перегибов ствола (обычных при использовании забойных двигателей) и 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 высокую способность к проталкиванию колонны по горизонтальному стволу.

Различают два вида РУС: с отклонением долота (puch-the-bit) и с изменением направления перекоса долота (point-the-bit) (см. табл. 4.7).

Первый вариант (РУС с отклонением долота) предполагает набор кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия, второй — под действием асимметричного разрушения забоя скважины. В системе с отклонением долота отклоняющая сила на долоте Рт появляется в результате выдвижения лопаток /, осуществляющих давление на стенку скважины с усилием Рр (рис. 4.42 и 4.43).

Схема, используемая для расчета радиуса искривления РУС с радиальным смещением долота

Рис. 4.42. Схема, используемая для расчета радиуса искривления РУС с радиальным смещением долота:

7 — долото; 2 — выдвижные лопатки; 3 — корпус; 4 — верхний стабилизатор; 5 — труба; Од— диаметр долота; Н — выход лопатки из корпуса; D0 — диаметр

корпуса

Схема роторной управляемой системы с отклонением долота

Рис. 4.43. Схема роторной управляемой системы с отклонением долота:

  • 7 — выдвижные лопатки; 2 — стабилизатор; 3 — блок управления; 4 — долото;
  • 5 — блок отклонения; б — заслонка

Привод лопаток 1 (см. рис. 4.43) гидравлический, осуществляемый за счет последовательной подачи бурового раствора в соответствующие гидрокамеры. Для увеличения угла отклонения каждая лопатка /, 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 лопатки 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 с работой [1] и схемой, представленной на рис. 4.42, радиус кривизны ствола скважины, реализуемой РУС с радиальным смещением долота, можно определить из формулы

гд eh = H-(R,-R0) + ^l

Формула (4.17) получена из условия вписываемости отклонителя в искривленный ствол скважины без деформирования корпуса. Именно поэтому по формуле (4.17) можно определить минимальное 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 Рот. В этом случае интенсивность искривления может определяться по формуле (4.10), а радиус кривизны — по зависимости

из которой следует, что формируемая кривизна существенно зависит от скоростей бурения v6 и фрезерования стенки скважины уф. Для удовлетворения требуемым параметрам набора кривизны радиус кривизны, рассчитанный по формуле (4.17), может быть получен только при определенных скоростях бурения и 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

где рж — давление промывочной жидкости в гидрокамере над выдвижной лопаткой, МПа; Sn площадь выдвижной лопатки со стороны гидрокамеры, м2; L — длина РУС, м; /2— расстояние от выдвижной лопатки до стабилизатора отклонителя, м.

Расчеты по формуле (4.17) для РУС с /?д = 147,65 мм, R0 = 122 мм, Rn = 140 мм, /, = 0,7 м, /2 = 2,5 м позволяют определить значения радиусов кривизны, которые изменяются от 152 до 350 м при выдвижении лопатки на расстояние Н- 30—26,75 мм.

На рис. 4.44 показана компоновка РУС Power Drive vortex компании Schlumberger повышенной мощности для реализации интенсивного искривления скважин. В системе используется ВЗД с системой «ротор — статор» 7x8, который реализует крутящий момент 24,4 кНм при расходе бурового раствора 77 л/с. В отклонителе используется адаптированный к высокой температуре эластомер, что позволяет использовать его при забойной температуре до 150°С. Автоматизированная система управления данным РУС реализует функцию «круиз-контроль» по зенитному и азимутальному углам, существует возможность проработки ствола скважины.

Система РУС Power Drive vortex с отклонением долота

Рис. 4.44. Система РУС Power Drive vortex с отклонением долота:

  • 1 — долото с системой контроля положения забоя; 2 — выдвижные лопатки; 3 — энергетический блок и электронный блок управления; 4 — гибкая УБТ;
  • 5 — стабилизаторы

Размеры долота для данной системы — 279,4—120,7 мм, длина компоновки — 15,42 м.

На рис. 4.45 показана роторная управляемая система с отклонением долота (puch-the-bit) перед спуском в скважину.

Роторная управляемая система перед спуском в скважину

Рис. 4.45. Роторная управляемая система перед спуском в скважину

 
Посмотреть оригинал