Забуривание бокового ствола из необсаженной скважины

Высокая твердость горных пород при забуривании боковых дополнительных стволов является основной технической проблемой, решение которой требует применения специальных технологических приемов, инструментов и даже отклонителей [24].

Таким образом, одной из проблем забуривания дополнительных стволов скважин с искусственных забоев является создание искусственных забоев высокой твердости, которая должна быть близка к твердости горных пород.

Анализ применения различных материалов и возможных условий создания искусственных забоев показывает, что в настоящее время сложно подобрать отверждаемые (и другие приемлемые) материалы для создания искусственных забоев, твердость которых была бы выше средней твердости горных пород. Среди апробированных практикой работ рассматриваются искусственные забои из цементных смесей, синтетических смол, эпоксидных смол с песчаным и цементным наполнителями [9]. Наиболее прочные из них - эпоксидные композиции - могут соответствовать по твердости горным породам средней твердости. При этом технология создания искусственных забоев из эпоксидных смол достаточно трудоемка и сложна, требует значительных затрат времени на установку и отверждение смеси композиции.

Среди оперативно отверждаемых материалов определенный интерес для создания искусственных забоев может представлять пенополиуретан, который отличается способностью затвердевать под действием воды и имеет высокую адгезию с породами.

Тем не менее в настоящее время наиболее приемлемыми в практике буровых работ остаются твердеющие цементные смеси, которые позволяют получить достаточно прочные забои, которые позволяют успешно забуривать дополнительные стволы скважин в мягких горных породах и породах средней твердости.

Технологии забуривания дополнительных стволов с искусственных забоев любыми типами отклонителей проектируются по методу бурения многоствольных скважин «снизу-вверх», так как искусственный забой перекрывает нижний интервал ствола, что предполагает возможность проведения каких-либо работ только на интервале скважины от устья до созданного искусственного забоя.

Процесс забуривания ствола скважины с искусственного забоя ОНД имеет специфические условия и признаки, существенно отличающие его от процесса обычного набора кривизны с естественного забоя. Если рассматривать тождественность условий забуривания ствола скважины с искусственного забоя и искривления с естественного забоя ОНД, то можно полагать, что отклонитель работает в условиях перемежающихся по твердости горных пород, причем в экстремальных условиях, когда угол встречи бурового инструмента и контакта горных пород различной твердости очень мал, а поперечные реакции на буровой инструмент очень значительны (анализ процесса искривления на контактах горных пород различной твердости был рассмотрен в п. 2.3.2).

Специфика процесса забуривания состоит в том, что существует начальный период формирования направления дополнительного ствола, который имеет наиболее сложный характер и состоит в образовании уступа в стенке скважины. Условия работы ОНД при этом носят экстремальный характер, косвенным подтверждением чего является повышение затрат мощности на бурение. После образования уступа на определенную ширину процесс искривления практически мало отличается от обычного процесса искусственного искривления.

Рассмотрим процесс образования уступа при условии, что твердость искусственного забоя р_и существенно меньше твердости горных пород /?_п, т. е.

а отклонитель воздействует на стенку скважины с усилием Р_от [24].

Из схемы (рис. 5.15) следует, что на буровой инструмент будут оказывать действие реакция со стороны стенки скважины Р_т, направленная по нормали к плоскости контакта стенки скважины и искусственного моста, и противодействующая ей реакция со стороны забоя Р_м.

Рис. 5.15. Схема для определения условий образования уступа в стенке скважины ОНД

Вертикальные составляющие этих реакций приводят к появлению изгибающего момента М_в, действующего в вертикальной плоскости, а их горизонтальные составляющие отклоняющего усилия со стороны стенки скважины. Процесс образования уступа зависит от реакций Р_т^г

и Р1. Так как момент М_в в начальный пе- риод забуривания имеет незначительную величину, усилия Р* и Р^, напротив, значительны в начальный момент забуривания уступа и их влияние является основным. Реакции Р_т^г и Р^ определим по формулам

где у - угол встречи бурового инструмента со стенкой скважины, град; Р_ос - осевое усилие на инструмент, даН.

Условием образования уступа и забуривания дополнительного ствола будет соотношение сил

где F_cu - сила сцепления торца бурового инструмента с забоем, даН.

Решение уравнения (5.20) позволяет определить значение К, при котором возможно забуривание уступа при определенных значениях входящих параметров:

где ц_м - коэффициент трения торца бурового инструмента о забой; S_n - площадь породоразрушающих элементов бурового инструмента, опирающихся на забой, м².

Полученный коэффициент К позволяет оценить ряд техникотехнологических параметров, оказывающих влияние на забуривание уступа в стенке скважины.

Из формулы (5.21) следует, что значительное влияние на процесс забуривания уступа оказывает угол между стенкой скважины и осью бурового инструмента у, величина отклоняющего усилия со стороны отклонителя и сила сцепления торца долота с забоем, повышение которых способно увеличить вероятность успешного забуривания уступа.

Осевое усилие в соответствии с условиями успешного забуривания нового направления ствола скважины, напротив, должно быть минимальным.

Таким образом, комплекс условий успешного формирования уступа в стенке скважины ОНД с искусственного забоя можно представить в следующем виде:

Рис. 5.16. Графическое решение уравнения равновесия сил при забуривании, определяющее ширину уступа /7_У

Графическое решение уравнения (5.20) позволяет подчеркнуть необходимость образования уступа в стенке скважины как непременного условия приведения действующих сил к равновесию. Как следует из схемы на рис. 5.16 равновесие сил наступает только при внедрении бурового инструмента на некоторый интервал в стенку скважины (точка А). Этот интервал может составлять 0,2-0,25 диаметра торца бурового инструмента [24].

В соответствии с выявленными условиями успешного формирования уступа наиболее эффективным для решения задачи забуривания дополнительного ствола с искусственного забоя будут ОНД, реализующие набор кривизны фрезерованием и ас- симетричным разрушением забоя при совпадении процессов по направлению, т. е. при наличии положительного угла встречи инструмента со стенкой скважины.

В то же время для регулирования осевой нагрузки при формировании уступа в процессе забуривания наиболее эффективны ОНД с гидромеханическим приводом распорного механизма. В этом случае забуривание можно производить при самых минимальных значениях осевой нагрузки, поскольку закрепление отклонителя производится за счет перепада давления промывочной жидкости без участия осевого усилия. Осевое усилие можно повышать по мере формирования уступа и забуривания дополнительного ствола.

Формирование уступа фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия будет наиболее эффективно, так как в направлении забуривания будет действовать активная сила, что сокращает сроки и повышает надежность забуривания уступа в твердых породах. При этом, анализируя формулы (4.19) и (4.21), с помощью которых аналитически описан процесс искривления под действием отклоняющей силы, можно отметить, что темп формирования уступа и искривления при забуривании дополнительного ствола пропорционально возрастает при повышении скорости фрезерования стенки скважины Уф, уменьшении скорости углубления забоя Уб и длины жесткой базы отклонителя.

Поэтому при оснащении отклонителя фрезерующего типа долотом с активным боковым вооружением и при регулировании механической скорости в пределах, не превышающих 0,8-1,0 м/ч, можно добиться гарантированного забуривания уступа и дополнительного ствола скважины с любых малопрочных забоев в твердых породах. Проблема здесь заключается в том, насколько и как можно ограничить и регулировать скорость бурения vq легко разрушаемого материала искусственного забоя при забуривании уступа и формировании кривизны. Именно поэтому при забуривании уступа будут наиболее эффективны отклонители с гидромеханическим приводом распорного механизма, которые позволяют за счет варьирования осевым усилием регулировать скорость бурения в самых широких пределах.

Отклонители на базе турбобуров широко используются для забуривания дополнительных стволов скважин с цементных забоев при бурении скважин большого диаметра на нефть и газ. Забуривание уступа такими отклонителями рекомендуется производить фрезерованием под действием отклоняющего усилия за счет упругих сил деформирования отклонителя и труб над ним, а затем уже, имея надежный уступ в стенке скважины, асимметричным разрушением забоя. Это связано прежде всего с тем, что в скважине турбинный отклонитель с кривым переводником или с эксцентричной накладкой на корпусе, изгибаясь, создает отклоняющее усилие, которое по мере забуривания уступа уменьшается.

Забуривание уступа турбинными отклонителями производится следующими способами:

• 1) задержкой долота в одной точке над искусственным забоем. Время задержки может составлять 1-3 ч в зависимости от соотношения твердости горных пород и материала забоя. При этом осевая нагрузка в начальный момент равняется нулю и по мере забуривания нарастает. Скорость забуривания дополнительного ствола в момент отклонения от искусственного забоя может составлять не более 0,3-0,4 м/ч;
• 2) возвратно-поступательным перемещением инструмента над забоем на расстояние 0,5-0,6 м. При этом при забуривании уступа в относительно мягких породах рекомендуется формировать уступ без вращения долота, в твердых породах - с вращением долота забойным двигателем. В дальнейшем после образования уступа бурение ведется при минимальной осевой нагрузке с постепенным её повышением.

Контроль процесса забуривания осуществляется по соотношению в выносимом шламе породы и материала искусственного забоя.

Основной проблемой при формировании уступа турбинным отклонителем являются провороты и смещения плоскости подработки забоя, особенно при вращающемся долоте, что значительно увеличивает сроки забуривания, требует дополнительного ориентирования отклонителя и негативно отражается на точности ориентирования.

Рис. 5.17. Схема забуривания дополнительного ствола

Интенсификация забуривания дополнительного стола может осуществляться за счет увеличения угла встречи бурового инструмента со стенкой скважины и применением долот с высокой фрезерующей способностью и стойкостью фрезерующих элементов.

Увеличение угла встречи инструмента со стенкой скважины можно получить за счет забуривания дополнительного ствола меньшего диаметра из ствола большего диаметра, использовать для этой цели каверну над искусственным забоем (а. с. № 142241), расширить ствол скважины над искусственным забоем специальным гидромеханическим расширителем или иными средствами.

При забуривании нового направления ствола скважины важно обеспечить отход нового ствола от основного (рис. 5.17). Только при отходе забоя нового ствола скважины от основного на определенное расстояние, которое должно быть не менее одного-полутора диаметров скважины, можно повышать осевую нагрузку до номинальной во избежание попадания нового ствола в ранее пробуренный ствол. Это связано с тем, что деформирование породы под долотом происходит при бурении преимущественно в направлении имеющейся свободной поверхности, в качестве которой выступает основной ствол.

Очень значительная роль при забуривании дополнительного ствола с искусственного забоя в твердых породах отводится буровому инструменту.

Долото для забуривания дополнительных стволов скважины в твердых породах должно соответствовать следующим требованиям:

• • фрезерующие элементы должны быть выполнены из алмазов или резцов PDC;
• • торец долота должен иметь равномерное устойчивое опирание на забой для снижения вероятности соскальзывания с уступа;
• • угол бокового фрезерования должен быть максимальным (см. п. 4.4);
• • торец долота должен обладать острой режущей кромкой для интенсификации фрезерования, плоскую или вогнутую форму (см. долото для забуривания на рис. 4.63).

Специальные долота для забуривания дополнительных стволов могут иметь особую схему установки породоразрушающих элементов на торце.

Например, известно долото с установкой резцов на торце по спирали Архимеда, направление которой противоположно направлению вращения долота, что позволяет при вращении долота в момент забуривания обеспечить появление активной поперечной силы, действующей в направлении забуривания (патент № 3951220, США). При работе таких долот возникает эффект «винтовой нарезки», за счет которого долото подтягивается в направлении формируемого нового ствола.

Наиболее простым и эффективным инструментом для забуривания дополнительного ствола в твердых породах являются шарошечные долота, шарошки которых с торца покрываются пластичным легкоизнашиваемым материалом. Покрытие шарошек следует выполнять напаиванием латунного или оловянного припоев [9]. Породоразрушающие вставки на торце шарошек покрываются припоем частично и по высоте, и по площади торцевой части, что снижает эффект дробления и скалывания материала искусственного забоя и снижает скорость его разрушения.

Как уже было показано, процесс искривления отклонителями фрезерующего типа зависит от соотношения скоростей фрезерования стенки

/

V.

скважины Уф и углубления забоя у_б — . Таким образом, для интенсифи-

KJ

кации процесса забуривания следует понижать скорость бурения забоя и повышать скорость фрезерования породы стенки скважины. Именно это удается достигать, «прикрывая» часть породоразрушающих вставок на торце шарошек. Для расчета площади покрытия шарошек припоем можно использовать расчет, основанный на определении удельных контактных напряжений, действующих в направлении фрезерования q_ф и углубления забоя <7б- Например, если взять в качестве начального условия расчета равенство удельных напряжений под торцевыми и боковыми элементами вооружения (дф = q₆) то, учитывая, что , например, твердость горной породы выше твердости материала искусственного забоя в К раз (см. зависимость (5.27)), можно получить зависимость для определения площади покрытия на каждой из шарошек.

Р Р

Из равенства q_ф = —— = q₆ = —— следует, что

S^K S₆

где ?ф, 5б - площади породоразрушающих элементов, взаимодействующих с породой стенки скважины при фрезеровании и материалом забоя при углублении соответственно, м²; Р_от, Р_ос - осевая нагрузка и отклоняющая сила, воздействующие на буровой инструмент при забуривании дополнительного ствола, даН; N- количество шарошек у долота.

Если в качестве К использовать результаты расчета по формуле (5.21), то можно рассчитать площадь покрытия торца шарошки Sq с учетом основных технологических и технических параметров.

При забуривании дополнительного ствола наиболее сложными являются условия, связанные с созданием уступа. После того как уступ шириной не менее 0,25-0,5 диаметра долота уже сформирован, процесс забуривания дополнительного ствола мало отличается от обычного искривления с естественного забоя. Следовательно, на втором этапе забуривания торцевые элементы вооружения долота, запаянные перед забуриванием и не участвовавшие в полной мере в работе долота, должны включаться в процесс разрушения забоя, который теперь частично сложен из горных пород, а частично из материала искусственного моста. С этой целью следует покрытие припоем осуществлять таким образом, чтобы происходило своевременное изнашивание пластичного сплава, а элементы вооружения на торце шарошек обнажались к моменту внедрения долота в горную породу. С этой целью можно варьировать видом припоя (олово более легкоизнаши- ваемый материл, чем латунь), толщиной и площадью наносимого слоя.

Критерием выбора или уточнения расчетного значения площади покрытия вставок на шарошках может быть механическая скорость бурения. При забуривании уступа скорость бурения не должна превышать 0,5 м/ч, а после образования уступа должна находиться в пределах 0,8-1,0 м/ч. Контроль процесса забуривания следует осуществлять как по шламу (соотношение в шламе кусочков породы и материала забоя), так и по скорости бурения.