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 [1]. 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°) и оперативности данные системы способны осуществлять бурение скважин любой ориентации в пространстве протяженностью до 13 км непрерывными рейсами, протяженность которых может составлять более 1 000 м. Современная отклоняющая система представляет собой беспилотный электронно-механический агрегат, управляемый дистанционно, подобно современным беспилотным самолетам и вертолетам-дронам.

Блок-схема забойной отклоняющей системы

Рис. 4.41. Блок-схема забойной отклоняющей системы: 1 - механизм искривления;

2 - привод механизма искривления; 3 - электронный блок управления приводом механизма искривления; 4 - источник электроэнергии (гидротурбина или аккумуляторные батареи); 5 - телеметрия; 6 - электронный блок телеметрии; 7 - блок передачи и приема информации, передаваемой 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

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 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 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 корретировки 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 RSS 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 зашламо- вания колонны и обеспечивает более 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 - асимметричного разрушения забоя скважины. В системе с отклонением долота отклоняющая сила на долоте Р появляется в результате выдвижения лопаток 1, осуществляющих давление на стенку скважины с усилием Pv (рис. 4.42, рис. 4.43).

Схема для расчета радиуса искривления РУС с радиальным смещением долота

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

1 - долото; 2 - выдвижные лопатки; 3 - корпус; 4 - верхний стабилизатор; 5 - труба; Од - диаметр долота; Н - выход лопатки из корпуса; D0 - диаметр корпуса; Оц - диаметр стабилизатора

Привод лопаток 1 гидравлический, осуществляется 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.

Рис. 4.43. Схема роторной управляемой системы с отклонением долота: 1 - выдвижные лопатки; 2 - стабилизатор; 3 - блок управления; 5 - блок отклонения; 4 - долото; 6 - заслонка

В соответствии с работой [1] и схемой на рис. 4.42 радиус кривизны ствола скважины, реализуемый РУС с радиальным смещением долота, можно определить по формуле

где h = H-(Ra-R0)+l^Ra~Ru

Формула (4.20) получена из условия вписываемости отклонителя в искривленный ствол скважины без деформирования корпуса. Именно поэтому по формуле (4.20) 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 Р. В этом случае интенсивность искривления может определяться по формуле (4.13), 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 (4.20), 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 дроссельноциркуляционной системе отклонителя и может определяться по формуле

где рж - давление промывочной жидкости в гидрокамере над выдвижным башмаком, МПа; Su - площадь выдвижной лопатки со стороны гидрокаме- ры, м ; L - длина РУС, м; /2 - расстояние от выдвижной лопатки до стабилизатора отклонителя, м.

Расчеты по формуле (4.20) для РУС с Яд = 147,65 мм, R0= 122 мм, Рц = 140 мм, /1 = 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 кН м при расходе бурового раствора 77 л/с. В отклонителе используется адаптированный к высокой температуре эластомер, что позволяет использовать его при забойной температуре до 150°. Автоматизированная система управления данным РУС реализует функцию «круиз-контроль» по зенитному и азимутальному углу, существует возможность проработки ствола скважины.

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

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

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

Роторные управляемые системы Power Drive Х5 компании Schlumberger реализуют набор кривизны с отклонением долота (puch-the-bit).

РУС Power Drive Х5 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 Х5 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;
  • • производить режим автоматического поддержания зенитного угла.
Роторная управляемая система перед спуском в скважину

Рис. 4.45. Роторная управляемая система перед спуском в скважину

Основные характеристики РУС Power Drive Х5 приведены в табл. 4.9.

Система отклонения долота от оси вращения в заданном направлении под названием Bias Unit состоит из корпуса, системы отклоняющих лопаток, управляющего клапана и фильтра, расположенного в удлиняющем переводнике. Башмаки 2 поочередно отклоняются в определенный момент времени давлением промывочной жидкости. Клапан, управляющий работой выдвижных башмаков 2, и фильтр, предназначенный для очистки бурового раствора, располагаются над башмаками 2 в корпусе.

Параметры РУС Power Drive Х5

Таблица 4.9

Параметры системы

Типоразмер РУС Power Drive Х5

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 искривления, град/30 м

8

6,5

6

3

3

Расход промывочной жидкости, л/мин

813-1 514

813-1 514

1 817-7 192

1 817-7 192

1 817-7 192

Максимальная частота вращения, мин 1

250

220

220

200

200

Максимальное давление, кПа

137 895

137 895

137 895

137 895

137 895

Конструкция клапана во всех отклонителях с отклонением долота аналогична, принцип его работы показан на рис. 4.46.

Схема работы клапана

Рис. 4.46. Схема работы клапана: 1 - пластина с отверстиями; 2 - тарелка клапана

Работает клапан следующим образом.

Во время управления пластина 1 с тремя отверстиями вращается вместе с бурильной колонной, а тарелка клапана 2, связанная с управляющей электроникой, неподвижна, так как свободно вращается на подшипниках и соединена осью с управляющей электроникой, находящейся в Control Unit. Как только отверстие в пластине 1 совпадает с окном в тарелке клапана 2, промывочная жидкость подается в направлении поршня соответствующей лопатки РУС 2 (см. рис. 4.44) и отклоняет её. Таким образом, поочередно отклоняются все лопатки 2 отклоняющего комплекса РУС.

Энергетический блок и электронный блок управления РУС

Рис. 4.47. Энергетический блок и электронный блок управления РУС: а - в разобранном виде; б - в сборе

Система Control Collar (энергетический блок и электронный блок управления 3 (рис. 4.47) состоит из узла Control Unit и УБТ, внутри которой он крепится болтами. Control Unit состоит из двух импеллеров, которые приводятся во вращение потоком промывочной жидкости и вращаются в противоположные относительно друг друга стороны двумя генераторами момента. Control Unit также оснащен антенной для связи с телеметрической системой в реальном времени, осью, с которой соединен клапан управления лопатками (см. рис. 4.46) и электроники с датчиками и устройством управления системой (рис. 4.47).

Главная задача Control Unit - поддерживать постоянным направление отклонения башмаков 2 (рис. 4.47) в соответствии с заданной программой, записанной в память прибора при начальной установке или посланной с поверхности по каналу связи.

Промывочная жидкость, проходя через колонну и систему, раскручивает импеллеры и соответствующие магниты, которые закреплены на них. Команда на поворот Control Unit вокруг своей оси подается от системы датчиков, расположенных в сенсорном модуле. В зависимости от того, в какую сторону необходимо повернуть Control Unit, напряжение подается на генератор момента и реактивный момент поворачивает прибор в ту или иную сторону. Например, если необходимо повернуть Control Unit против часовой стрелки, то нижний магнит вращается против часовой стрелки, но напряжение подается на нижний генератор момента, а создавшееся электромагнитное поле взаимодействует с магнитом и вырабатывает реактивный момент, который разворачивает Control Unit против часовой стрелки.

Сенсорный модуль состоит из трехосевого магнитометра, измеряющего магнитное поле Земли и ориентированного относительно оси прибора (магнитный азимут), трехосевого акселерометра, измеряющего гравитационное поле Земли и ориентированного относительно оси прибора (зенитный угол), двухосевого магнитометра, состоящего из датчика магнитного поля, и двух взаимно перпендикулярных магнитов и измеряющих частоту вращения и положения Control Unit относительно Control Collar и гиродатчика вращения, который управляет скоростью вращения прибора относительно его оси.

Стабилизатор 5 и гибкая УБТ 4 (рис. 4.48) предназначены для увеличения общей интенсивности искривления скважины, реализуемой системой РУС. Устройство этих элементов компоновки показано на рис. 4.48. Они бывают двух исполнений - с каналом для передачи данных в реальном времени и без него. Данные передаются по электромагнитному каналу на приемник 1, а затем через разъем на Power Pulse (Power Drive X5 675- 1 100) или на IMPulse (Power Drive X5 475).

Канал передачи данных в реальном времени позволяет уменьшить расстояние от датчика до долота (Inc Cont около 2 м), а также служит для подтверждения принятой команды Down Link. Уменьшение расстояния от долота до датчика повышает точность измерений, так как в этом случае полученные данные более соответствуют реальному положению забоя бурящейся скважины. При удалении датчика от забоя получаемая информация о положении ствола будет отличаться от реальной, так как будет будет поступать к управляющему компьютеру и оператору с запаздыванием.

Управление РУС во время бурения осуществляется подачей команд с поверхности путем уменьшения-увеличения подачи раствора буровыми насосами по заданному алгоритму в соответствии с программой Tool Scope.

Выбирается нужная установка (Tool Face), а также процентное соотношение слайд - ротор. В соответствии с требуемыми данными программа выдает повременную распечатку команд на уменьшение-увеличение расхода промывочной жидкости.

При бурении процентное соотношение слайд - ротор распределяется так:

  • • в начале цикла бурения (по умолчанию 180 с) выдвижные лопатки 2 компоновки (рис. 4.44) отклоняются в соответствии с выбранным направлением;
  • • далее система переходит в нейтральный режим (частота открывания башмаков 2 на 16 мин- меньше, чем частота вращения бурильной колонны);
  • • в следующем цикле все повторяется снова.
Стабилизатор и гибкая УБТ

Рис. 4.48. Стабилизатор и гибкая УБТ: а - приемник данных 1 в реальном времени; б - компоновка РУС в сборе; в - гибкая УБТ с каналом 2 для передачи данных в реальном времени

На рис. 4.49 показан пример реализации искривления, при котором 60 % времени выдвижные лопатки 2 (рис. 4.44) отклоняют компоновку в направлении 45° (выполаживание и отклонение ствола вправо), а затем 40 % времени система работает в нейтральном режиме, т. е. без отклонения.

Диаграмма на компьютере, отображающая направление и режим отклонения скважины компоновкой

Рис. 4.49. Диаграмма на компьютере, отображающая направление и режим отклонения скважины компоновкой: 1 - направление набора кривизны под углом установки отклонителя 45 град (выполаживание - повышение зенитного угла и отклонение вправо); 2 - временной интервал интенсивного отклонения (в данном случае 60 %)

При выборе долота для системы Power Drive Х5 (и иных систем фрезерующего типа) следует отдавать предпочтение долотам, которые могут обеспечить минимальную вибрацию, хорошую управляемость, наличие активного бокового фрезерующего вооружения, максимальной скорости проходки, надежности и долговечности. Выбор долот также определяется профилем скважины, интенсивностью искривления, протяженностью интервала набора кривизны и интервалом ствола скважины, в котором проводится бурение с набором кривизны.

В РУС с изменением направления 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 (рис. 4.49). 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 [1]

где (3 - угол наклона отклонителя к оси скважины, град.

D-Du

Угол (3 определяют по формуле (3 = arctg —-.

2 h

Угол у создается при изгибе вала отклонителя (рис. 4.50) и может определяться по формуле

d jjy

где Д - угол отклонения вала при изгибе, град; а = —; г| = — (см. рис. 4.41).

/2 /2

Схема для расчета радиуса искривления РУС с изменением направления перекоса долота

Рис. 4.50. Схема для расчета радиуса искривления РУС с изменением направления перекоса долота: 1 - долото; 2 - корпус; 3 - стабилизатор; 4 - труба; 5 - вал отклонителя; Од - диаметр долота; D0 - диаметр корпуса; Оц - диаметр стабилизатора

Для системы Geopilot, имеющей следующие параметры: а = b = 2, 25 м; 1 = 0,8 м; /2 = 4,5 м; D0 = 244 мм, значения радиусов искривления при бурении долотом диаметром 295,3 мм и различных прогибах вала отклонителя приведены в табл. 4.10.

Таблица 4.10

Расчетные данные радиуса искривления РУС Geopilot

Диаметр центратора Dn, мм

244

280

Прогиб вала Д, мм

4

5

6

2

3

4

5

Угол перекоса у

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 управляемой роторной системе Geopilot (рис. 4.51) используется управляемый отклонитель, состоящий из цельного вала 1, расположенного между долотом 2 и верхней частью инструмента.

Схема отклоняющего механизма РУС Geopilot

Рис. 4.51. Схема отклоняющего механизма РУС Geopilot: 1 - вал; 2 - долото; 3 - эксцентриковые втулки; 4 - верхний подшипник; 5 - нижний шаровой опорный подшипник; 6 - корпус; 7 - стабилизатор

Выполненный из нержавеющей высокопрочной стали вал 1 имеет внутренний канал для прохода бурового раствора. Компактный и прочный отклоняющий узел, размещённый внутри не вращающейся верхней части корпуса 6 передаёт контролируемое отклонение на вал 1 через две вращающиеся эксцентриковые втулки 3. Связь с эксцентриковыми втулками 3 сверху и снизу осуществляется с помощью двух систем привода.

В результате действия одного или обеих систем привода эксцентриковые втулки 3 поворачиваются вместе или по отдельности и отводят вал 1 в сторону по осевой линии корпуса 6, заставляя вал 1 искривляться и ориентировать долото 2 в направлении заданного угла установки отклонителя. Специально сконструированные вращающиеся уплотнения внутри корпуса 6 не позволяют буровому раствору попадать внутрь отклонителя, а смазочной жидкости вытекать наружу, что обеспечивает достаточно высокие ресурс и надежность системы.

Секция вала 1, проходящая через корпус 6, опирается на верхний подшипник фиксированного конца 4, подшипник радиальной опоры и нижний плавающий подшипник 5. Когда эксцентриковые кольца 3 изгибают вал 1, то вал 1 изгибается между верхним подшипником 4 фиксированного конца, который не даёт валу изгибаться выше себя и нижним плавающим подшипником 5, который позволяет долоту 2 отклоняться в любом заданном направлении и свободно вращаться. Так как основная нагрузка на долото 2 передаётся через корпус 6, то благодаря этому вал 1 изготавливается более тонким и потому более управляемым.

Расположенный в верхней части компоновки компактный прочный компьютеризированный блок осуществляет контроль за отклонением вала 1.

В системе РУС с изменением направления перекоса или позиционирования долота (point-the-bit) используются механизм управления с эксцентриковыми втулками. Примером могут служить кольца 3 системы Geopilot (рис. 4.51). При этом возможно использование одной или двух таких втулок для обеспечения изгиба вала и перекоса долота.

В первом случае такая втулка располагается внутри корпуса отклонителя с некоторым смещением от геометрического центра поперечного сечения корпуса отклонителя. Это необходимо для того, чтобы в процессе бурения была возможность обеспечить такое положение втулки, при котором скважина бурится без отклонения, так как эксцентрично расположенное отверстие втулки располагается соосно корпусу отклонителя (рис. 4.52, а).

Схема работы устройства данного типа показана на рис. 4.52.

Эксцентриковая втулка 1 имеет возможность поворота как вокруг собственной оси в направлении г|, так и вокруг оси корпуса-статора 2 РУС в направлении т. Вал-ротор 3 РУС, на котором установлено долото 5, вращается внутри эксцентриковой втулки 1 с частотой со. Корпус-статор 2 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 А и долото 5 получает перекос в ту или иную сторону, в зависимости от положения втулки 1 внутри корпуса-статора 2 РУС.

На рис. 4.52, а дана схема, соответствующая случаю бурения без искривления, при котором внутреннее отверстие эксцентриковой втулки 1, вал 3 соосны корпусу 2 РУС (А = 0), а долото 5 не имеет перекоса.

В иных случаях, проиллюстрированных рис. 4.52, 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).

Схемы работы РУС с позиционированием долота

Рис. 4.52. Схемы работы РУС с позиционированием долота: а - 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

В системе Geopilot реализован механизм с двумя эксцентриковыми втулками, что позволяет располагать данные втулки без смещения от геометрического центра корпуса отклонителя (рис. 4.53). В этом случае есть возможность для большей управляемости процессом набора кривизны за счет сдвоенной системы регулирования углом перекоса долота.

На рис. 4.54 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.

Схемы различных положений эксцентриковых втулок

Рис. 4.53. Схемы различных положений эксцентриковых втулок: о - бурение без набора кривизны; б - набор кривизны влево (угол установки 270°); обозначения элементов аналогичны обозначениям на рис. 4.51

Схема работы отклоняющего узла и набора кривизны РУС с позиционированием положения долота

Рис. 4.54. 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

Роторная управляемая система Power Drive Xceed 675 предназначена для направленного бурения и может использоваться для забуривания новых направлений ствола скважины, бурения скважин увеличенного диаметра. РУС Power Drive Xceed 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 1 098-3 098 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 Xceed 900. Диаметр долота 311,2- 444,5 мм.

Основные характеристики РУС Power Drive Xceed приведены в табл. 4.11.

Таблица 4.11

Механическая спецификация и эксплуатационные характеристики 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

31 184-35 251

56 944-62 368

Крутящий момент на нижнем резьбовом соединении при пределе текучести, Н м

17626-20337

37963-43386

Максимальная интенсивность кривизны, град/30 м

при вращении без вращения

  • 8
  • 15
  • 6,5
  • 12

Максимальная нагрузка на долото, Н

244 652

366 617

Максимальная рабочая частота вращения, мин 1

350

Максимальный рабочий крутящий момент, Нм

27 116

47 454

Окончание табл. 4.11

Характеристики

Power Drive Xceed 675

Power Drive Xceed 900

Максимальная рабочая растягивающая нагрузка, Н

226 800

340 190

Максимальная ударная нагрузка, кН

4 535,92

Максимальная вибрационная нагрузка, g/Гц

250

Максимальное рабочее давление, кПа

137 900

137 900

Максимальная рабочая температура, °С

150

Подача турбин, л/мин

1 098-1 552 1 363-2 158 1 798-3 028

  • 1 703-2 839
  • 2 271-4 542
  • 3 407-6 814

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

Последнее достижение в области управляемых роторных систем - РУС Power Drive Archer, сочетающее в себе характеристики систем с отклонением и изменением перекоса долота. Эта гибридная система совмещает высокий темп набора кривизны ствола наклонной скважины, обеспечиваемый двигателем объемного типа, с высокой скоростью проходки роторной управляемой системы.

Данная система позволяет автоматически поддерживать углы положения скважины в пространстве. Интенсивность искривления системой составляет 0,1-0,3 град/м в зависимости от диаметра скважины, который может составлять от 406,4 до 660,4 мм.

В отличие от некоторых других роторных управляемых систем в РУС Power Drive Archer не используются выдвигаемые наружу башмаки для оказания давления на пласт. Вместо этого четыре поршня привода внутри УБТ изнутри нажимают на цилиндрический поворотный хомут, который вращается на универсальном шарнире, ориентируя долото в желаемом направлении (рис. 4.55, 4.56). Кроме того, четыре лопасти стабилизатора, расположенные на внешней части хомута над универсальным шарниром, оказывают боковое усилие на долото при контакте со стенкой скважины, что заставляет РУС работать в режиме системы с отклонением долота. Такая РУС имеет более низкий риск отказа или повреждения, поскольку все подвижные детали находятся внутри, что защищает их от воздействия неблагоприятной внутрискважинной среды. Такая конструкция также способствует увеличению срока эксплуатации РУС.

Устройство РУС с позиционированием долота за счет отклонения вала

Рис. 4.55. Устройство РУС с позиционированием долота за счет отклонения вала: у - угол перекоса долота

Роторная управляемая система Power Drive Archer

Рис. 4.56. Роторная управляемая система Power Drive Archer

Внутренний клапан, удерживаемый в геостационарном положении относительно торца бурильного инструмента, отводит небольшую часть бурового раствора на поршни. Буровой раствор приводит в действие поршни, которые нажимают на поворотный хомут, что обеспечивает заданную ориентацию долота и отклонение скважины.

В нейтральном режиме клапан бурового раствора непрерывно вращается; таким образом усилие бурового долота распределяется равномерно по стенке скважины, что позволяет РУС сохранять курс.

Наддолотные измерения таких параметров, как интенсивность гамма- излучения, угол наклона и азимут, позволяют оператору тщательно контролировать процесс бурения. Текущее значение курса и другие рабочие параметры передаются оператору через блок управления, который направляет эту информацию на поверхность путем непрерывной телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. С поверхности специалисты по наклонному бурению направляют команды вниз на блок управления, расположенный над блоком навигации. Эти команды превращаются в колебания скорости подачи бурового раствора. Каждой команде соответствует уникальный набор таких колебаний в отдельных точках карты навигации, которая вносится в программу бурового снаряда до начала бурения.

Поскольку система Power Drive Archer может бурить как вертикальные, так и изогнутые и горизонтальные участки скважины, её можно применять для создания сложных трехмерных траекторий и бурения разнообразных по кривизне интервалов без подъема инструмента.

Система Mjtary Steerable ™ компании Weatherford - система управления траекторией скважины при роторном бурении. Представляет собой забойный двигатель с узлом перекоса и модуль MWD. Она предназначена для бурения стволов диаметром 152-311 мм с набором кривизны от 0 до 3 град на 30 м. В системе применяется новая технология контроля направления бурения (TBS), которая для управления скоростью вращения ротора использует модуляцию потока бурового раствора. Технология TBS обеспечивает полный контроль пространственного положения при непрерывном вращении колонны, что позволяет отказаться от метода слайдирова- ния, необходимого при бурении традиционными ВЗД. В результате повышается механическая скорость бурения и очистка ствола скважины, а система становится экономичной альтернативой РУС с небольшими темпами набора кривизны.

Роторная система искривления скважин DART {Downhole Adjustable Rotary Tool) (рис. 4.57) представляет собой механический инструмент для бурения наклонных участков скважин по плавным траекториям с постоянной интенсивностью изменения положения забоя и кривизны ствола. Искривление скважины по принципу трёхточечной стабилизации компоновки (стабилизаторы 3 и 4 и скребок 2) обеспечивается путём приложения постоянного бокового усилия от несоосного стационарного стабилизатора 3 к долоту 1.

В процессе бурения ориентация торца инструмента поддерживается невращающимся эксцентриком 5, который, находясь в подвешенном состоянии при отрыве компоновки от забоя за счет наличия эксцентрика в наклонной скважине, проворачивает элементы компоновки с несоосным стабилизатором 4, задавая определенный угол его оринетации относительно зенита скважины. Изменение ориентации торца инструмента производится при отрыве долота от забоя при выключенных насосах и занимает не более 3 мин. Данный эксцентрик является аналогом ориентирующей приставки ОП-3, конструкции ЗабНИИ, разработанной для ориентирования отклонителей типа ТЗ [9].

Компоновка DART

Рис. 4.57. Компоновка DART: 1 - долото; 2 - скребок; 3 - несоосный стабилизатор;

4 - соосный стабилизатор; 5 - эксцентрик; 6 - сердечник; 7 - механизм ориентации торца долота

Система DART включает следующие элементы и устройства:

  • • сердечник 6, проходящий сквозь инструмент для передачи крутящего момента и вращения долота 1, используется как часть механизма изменения ориентации торца долота 1;
  • • скребок 2 является частью сердечника 6 и вращается вместе с ним. Диаметр скребка 2 меньше диаметра долота 1, и обычно скребок не касается стенок ствола и предназначен для удаления всех уступов, образующихся в процессе бурения и способных затруднить продвижение невращающихся стабилизаторов (соосного и несоосного);
  • • несоосный (управляющий) стабилизатор 3 - невращающийся, полноразмерный, немного смещённый по отношению к оси сердечника 6. Это смещение создаёт боковое усилие на долото 1, позволяющее управлять траекторией ствола;
  • • соосный стабилизатор 4 - концентрический, также невращающийся, создаёт третью точку опоры для реализации трёхточечной стабилизации, которая необходима для управления компоновкой с помощью системы DART.

На рис. 4.58 показан пример принципа действия системы DART: несоосный стабилизатор 3 передаёт на долото 1 боковое усилие, которое направляет инструмент на 45 град вправо от точки зенита.

Для изменения ориентации торца долота выполняют следующие операции: отрывают долото от забоя и прекращают вращение колонны; останавливают насосы; вращают бурильную колонну на количество щелчков ротора, необходимое для установки новой ориентации торца долота (каждый щелчок ротора смещает вектор бурения вправо на 2,25 град); прекращают вращение по достижении заданной ориентации торца; запускают насосы и начинают циркуляцию с обычным расходом; продолжают бурение скважины.

Схема, поясняющая принцип работы отклоняющей системы DART; обозначения элементов аналогичны обозначениям на рис. 4.57

Рис. 4.58. Схема, поясняющая принцип работы отклоняющей системы DART; обозначения элементов аналогичны обозначениям на рис. 4.57

Бурение прямолинейно-наклонных участков с применением системы DART производится путём поочередной ориентации торца в противоположных направлениях. Поскольку изменение ориентации торца долота при помощи системы DART производится достаточно оперативно, эта процедура позволяет получить прямой ствол скважины без существенных затрат времени.

Технические характеристики системы DART приведены в табл. 4.12.

Таблица 4.12

Технические характеристики системы DART

Характеристика

Значение

Диаметр инструмента, мм

120,6 для бурения скважин диаметром 149,2—171,5 мм

Длина, м

8,23

Интенсивность набора угла, град/30 м

до 3

Объём подачи раствора, л/с

9,5-18,9

Максимальная осевая нагрузка, кН

13,6

Максимальная частота вращения, мин 1

220

Максимальная интенсивность искривления, град/30 м

25

Для искривления скважин малого диаметра в ЗабНИИ созданы отклонители на базе ВЗД Д1-54 и ДГ-70 (наружный диаметр корпуса двигателей 54 и 70 мм).

Учитывая слабую стабилизацию отклонителя на бурильных колоннах малого диаметра (42, 50, 63,5 мм) для стабилизации положения ОНД на базе ВЗД малого диаметра, предпочтительно использование распорных механизмов, которые позволяют фиксировать ОНД в скважине, не давая ему возможности проворота, но обеспечивая продольное перемещение по мере углубления ствола скважины. В отклонителях типа ОД-54 и ОД-70 распорные механизмы выполнены в виде устройств скользящего типа.

Отклонитель ОД-76

Рис. 4.59. Отклонитель ОД-76: 1 - долото, 2 - шпиндель, 3 - шарнирное соединение и механизм регулирования угла перекоса, 4 - ВЗД, 5 - шарнирный вал, 6 - нижний полуклин, 7 - ползун с катками, 8 - верхний полуклин, 9 - гидропривод ползуна, 10 - переходник

Двигатель ДГ-70 имеет наружный диаметр 70 мм и более предпочтительные показатели работы в сравнении с двигателем Д1-54: обеспечивает крутящий момент 140 Н м и частоту вращения 200-300 мин-1 при расходе жидкости 1,7 л/с и перепаде давления 2,5 МПа. На базе двигателя ДГ-70 создан отклонитель ОД-76 (рис. 4.59).

Конструкция отклонителя ОД-76 имеет отклоняющее устройство типа «кривой переводник» с регулируемым углом перекоса, рабочую пару двигателя ДГ-70 4 и распорное клиновое устройство скользящего типа - 6, 7, 8 с гидроприводом 9. Устройство стабилизации направления искривления в виде выдвижного ползуна 7 взаимодействует со стенкой скважины при помощи роликов-катков. Необходимое распорное усилие создается гидроприводом 9 за счет давления промывочной жидкости над рабочим органом ВЗД.

При создании ОНД на базе ВЗД впервые выполнен анализ отклоняющей способности кривых переходников в скважинах малых диаметров. По данным И. В. Кукушкина [13, 21], изменение полного угла (6) и интенсивности искривления (/м) на интервале работы отклоняющей системы с кривым переходником можно описать зависимостями следующего вида:

где S - углубление скважины от начала цикла искривления, м; L - длина направляющего звена ОНД, м; (3 - угол наклона долота за счет радиального зазора, радиан; ц - угол фрезерования, радиан; ф - угол поворота долота при деформации направляющего звена под действием внешних сил, радиан.

Из выражений (4.24) и (4.25) следует, что в данном случае реализуется не только асимметричное разрушение забоя, но и фрезерование стенки скважины в направлении перекоса долота. При этом наиболее интенсивно фрезерование реализуется на начальном интервале работы ОНД, когда формируется неравномерная кривизна скважины. По мере углубления скважины неравномерность кривизны сглаживается и искривление стабилизируется, поскольку известно, что искривление является процессом с обратной связью (рост кривизны снижает величину отклоняющей силы). В то же время деформация направляющего звена гарантирует некоторый рост значений 8 и /м. Для ОД-76 интенсивность искривления составляет 0,2-1,2 град/м.

Результаты работы отклонителя ОД-76 позволили сделать вывод о возможности надежного регулирования интенсивности искривления путем изменения угла перекоса отклонителя. Увеличение угла перекоса от 0,5 до 2,5° приводит к росту темпа искривления от 0,2 до 1,2 град/м.

Процесс искривления скважины отклонителем ОД-76 характеризуется достаточно высоким соответствием фактической интенсивности искривления ее проектному значению, поскольку в его основу положен принцип асимметричного разрушения забоя, отличающийся управляемостью и предсказуемостью выходных параметров кривизны при реализации искривления.

Возможность равномерного и стабильного набора кривизны с помощью ОД-76 на протяженном интервале скважины наглядно проиллюстрирована векторной диаграммой искривления скважины (рис. 4.60). Техническим заданием было предусмотрено увеличить азимут скважины от 285 до 360° с увеличением зенитного угла от 5,5 до 15° в интервале 50-82 м. Отклонителем ОД-76 с использованием системы ориентирования с контролем за величиной угла установки был выполнен один цикл искривления протяженностью 31,9 м. Корректировка угла установки произведена на глубинах 58, 64 и 68 м. На диаграмме отражены результаты инклинометрии с шагом 2 м. Полный угол искривления составил 14,75°, а интенсивность искривления 0,5 град/м.

Отклонителем ОД-76, учитывая наличие у него гидравлического привода распорного механизма, можно также эффективно производить забуривание дополнительного ствола от цементного забоя в достаточно твердых породах.

Векторная диаграмма (годограф) искривления скважины отклонителем ОД-76 на интервале 31,9 м

Рис. 4.60. Векторная диаграмма (годограф) искривления скважины отклонителем ОД-76 на интервале 31,9 м

Отклонители Navi-Drill и Dyna-Drill компании Smiht (США) для искривления скважин малых диаметров (диаметры корпуса 44 и 69 мм), широко используемые зарубежными фирмами, в отличие от отечественных ОНД на базе ВЗД имеют несколько иную компоновку узлов. Устройство стабилизации направления искривления расположено под ВЗД над долотом в виде выдвижного ползуна, который выдвигается под давлением промывочного раствора. Выдвижной ползун обеспечивает появление отклоняющей силы на долоте и фрезерование стенки скважины.

Отклонители малых диаметров с распорными механизмами могут успешно использоваться с колтюбинговыми буровыми агрегатами, поскольку диаметр бурильной трубы в таких установках очень мал (60-70 мм), а значит, угол закручивания колонны очень велик. Именно поэтому подобные отклонители могут быть востребованы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >