CC BY
46
__£
СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА
УДК 622.43.92
И. В. Воевидко, В. В. Токарук
РАЗРАБОТКА КОМПОНОВОК НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ УСЛОВНО-ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖИН ДИАМЕТРОМ 660 ММ
UDC 622.43.92
I. V. Voievidko, V. V. Tokaruk
DESIGN OF THE BOTTOM HOLE ASSEMBLY FOR DRILLING VERTICAL WELLS WITH 660 MM DIAMETER
Аннотация
Дано краткое описание методики проектирования и расчета ступенчатых компоновок низа бурильной колонны с учетом распределения осевой нагрузки между долотом и расширителем в процессе бурения, напряженно-деформированного состояния компоновки, влияния геологических факторов на интенсивность искривления ствола скважины. Представлен анализ выбора диаметра утяжелённых бурильных труб над расширителем с применением предложенной методики. Осуществлен расчет компоновок низа бурильной колонны при использовании разного количества опорно-центрирующих элементов над расширителем и долотом для различных геологических условий бурения.
Ключевые слова:
методика проектирования, распределение осевой нагрузки, два породоразрушающих элемента, расширитель, геологический фактор, искривления скважины, эксцентриситет.
Abstract
A brief description of the method of design and calculation of the bottom hole assembly (BHA) is presented which takes into account weight distribution between the bit and the hole opener during the drilling, the stress-strain state of BHA, and the influence of geological factors on the curvature intensity of the well. The selection of the diameter of the drill collar above the hole opener is analyzed by using the proposed method. The bottom hole assemblies are calculated for a different quantity of centralizing and supporting elements above the bit and the hole opener to be used under various geological conditions of drilling.
Key words:
method of calculation, weight distribution between the bit and the hole opener, two rock cutting elements, hole opener, geological factor, curvature intensity of the well, eccentricity.
В последние годы объемы бурения глубоких скважин увеличиваются, и значительная часть приходится на бурение стволов большого диаметра, которое целесообразно проводить с помощью ступенчатых компоновок низа бурильной
© Воевидко И. В., Токарук В. В., 2018
колонны, в состав которых входят долото и расширитель. Диаметр расширителя зависит от наружного диаметра обсадной колонны, спуск которой заложен в проект скважины на соответствующем интерва-
ле, и чаще всего находится в пределах 393,7.. .660 мм [1].
Как показывает опыт бурения скважин с двумя породоразрушающими элементами, расширение пилотного ствола происходит эксцентрично [2]. Это явление позволяет осуществлять управление направлением ствола скважины в процессе бурения, используя ограничитель величины эксцентриситета и устанавливая опорно-центрирую-щие элементы над расширителем и долотом.
Изложены результаты проектирования и анализа компоновок с двумя породоразрушающими элементами, которые могут быть использованы при бурении условно-вертикальных скважин в горных породах различной анизотропности.
Часто при строительстве глубоких скважин для бурения участков под направляющую обсадную колонну применяют расширитель диаметром 660 мм. Для выполнения условия эффективного разрушения породы с использованием двух породоразрушающих элементов [2] для этого диаметра расширителя стоит выбрать долото диаметром 393,7 мм, что обеспечит соотношение площадей разрушения, равное 2,81.
Для обеспечения устойчивости и прочности пилотного участка компоновки низа бурильной колонны, а также для возможности использования явления образования эксцентричного смещения расширителя для управления профилем скважины было принято решение установить над долотом утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм. Поскольку для основного участка над расширителем следует применять утяжелённые бурильные трубы большего диаметра, то был проведен ряд расчетов, которые в первом приближении позволяют оценить поведение КНБК с использованием труб разного диаметра - 229, 254, 273, 299 мм. Был
осуществлен расчет «гладкой» компоновки: долото диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 5 м + расширитель диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметрами 229, 254, 273, 299 мм при максимальном индексе анизотропии. Для этого была применена разработанная авторами методика, состоящая из шести этапов, которые циклически повторяют для уточнения изменения параметров с углублением.
На первом этапе рассчитывается распределение осевой нагрузки между долотом и расширителем. Нагрузка на долото определяется из следующей формулы:
Рд _
Р
1 + Пркд агк/
(1)
где Пр - показатель ресурса вооружения породоразрушающих инструментов; кд - коэффициент динамики работы долота и расширителя; аг - коэффициент кинематики породоразрушающих инструментов; к/ - коэффициент площади разрушения.
7 П
П _ шд шд
Р ~
7 П
шр шр
(2)
где 7шд, Пшд, 7шр, Пшр - количество зубцов и шарошек долота и расширителя соответственно.
а _ ±,
г р
(3)
где гд, гр - передающие отношения долота и расширителя.
к, _ ^,
V
Гд
(4)
где Гр, Гд - площадь разрушения породы расширителем и долотом.
К = ^, (5)
кдр
где кдд, кдр - коэффициенты динамичности действия нагрузки (времени контакта зубца с породой).
Проанализировав уравнение (1), можно сделать вывод, что значительное влияние на распределение осевой нагрузки между долотом и расширителем имеют конструктивные особенности данных породоразрушающих элементов, т. е. количество и диаметр шарошек, количество зубцов на шарошке, что, собственно, и учитывается в пока-
зателе ресурса вооружения.
На втором этапе, применяя метод решения дифференциальных уравнений изогнутой оси компоновки, проводится расчет напряженно-деформированного состояния компоновки с двумя породо-разрушающими элементами и, как результат, определяются технические отклоняющие силы на них [3].
На рис. 1 изображена схема компоновки низа бурильной колонны с двумя породоразрушающими элементами, которая используется при проведении расчетов согласно данной методике.
т.а.р
2-О.р
р.о.д
Рис. 1. Расчетная схема компоновки низа бурильной колонны с двумя породоразрушающими элементами
На рис. 1 обозначены технические и геологические отклоняющие силы, действующие на долото и расширитель в процессе бурения, отмечено эксцентричное смещение основного ствола относительно пилотного и нанесены линии, изображающие направление пластов горной породы.
На третьем этапе рассчитываются геологические отклоняющие силы на породоразрушающих элементах, учитывая твердость породы, буровой индекс анизотропии и угол падения пластов:
Г.о.д._ 0,5аг.,А.дй 81п2(0-а); (6)
¥г^р= 0,5аSMSKph sin2(0-а), (7)
где о г. п. - твердость породы по штампу; &.д., Зк.р. - площадь контактной поверхности соответственно долота и расширителя с забоем; И - буровой индекс анизотропии горной породы; 0 - угол падения породы; а - зенитный угол наклона скважины.
На четвертом этапе определяются результирующие отклоняющие силы на долоте и расширителе по разнице технической и геологической составляющих, действующих на соответствующий элемент. Указанные составляющие были получены в процессе расчета на втором и третьем этапах соответственно:
F = F
р.о. г.о.
Fm
(8)
где Гг 0 , Рто - геологическая и техническая отклоняющие силы.
На пятом этапе рассчитывается эксцентриситет на расширителе путем определения боковых смещений на по-родоразрушающих элементах с учетом данных, полученных с помощью формулы (8) [4]:
V 0,5dз^д.т.^зш^шFp.p.КПП ш (9)
h = — =
S
где ёз, Ьд.т. - диаметр зубца и длина его траектории движения; гзш, гш - количество зубцов на периферийном венце шарошки и количество шарошек на по-родоразрушающем элементе; Гр.о. - результирующая отклоняющая сила; Кп - угловой коэффициент, обратно пропорционален твердости породы по штампу; Пш - количество оборотов шарошек; Я - радиус породоразрушающе-го элемента; Ио.п. - высота опорной поверхности.
Величину эксцентриситета можно найти по следующей зависимости:
s = hp - hd,
(10)
Rh„
где hd, hp - боковое смещение на долоте и расширителе соответственно.
На шестом этапе определяются интенсивность искривления скважины и ее направление [4]:
dа 2 _ 2
-=—Фа =— (Р0 +
dS L а ЬУ 0
F h
+ cos р+- sin 2ю cos а), (11) F 2
ос
где L - длина направляющего участка от долота до первой точки контакта компоновки низа бурильной колонны со стенкой скважины; во - угол несоосности,
Р0 = —д-— (где Dd, —оцэ - диаметр
2L
долота и опорно-центрирующего элемента соответственно); к - коэффициент фрезерующей способности долота; Fотк, Foe - отклоняющая сила и осевая нагрузка на долото соответственно; h - буровой индекс анизотропии; ю - угол встречи долота с плоскостью пласта геологической структуры; о - угол между апсидальной плоскостью и плоскостью действия отклоняющего фактора анизотропии.
Проведя расчеты, получаем уточненные значения эксцентриситета и ин-
тенсивности искривления скважины, следовательно, и зенитного угла. При стартовом расчете компоновки низа бурильной колонны допускаем, что величина эксцентриситета 8 = 0. Для расчета следующего интервала используем значение последнего цикла расчета, что позволяет провести поинтервальное моделирование процесса углубления скважины и отследить изменение основных параметров (при выборе соот-
ветствующей средней механической скорости бурения в определенных породах, полученной путем анализа промысловых данных, используя количество оборотов бурильной колонны за определенный период).
На рис. 2 изображены графические зависимости изменения зенитного угла с углублением для вышеуказанных компоновок.
Рис. 2. Изменение зенитного угла а с углублением скважины Н для разного диаметра утяжелённых бурильных труб над расширителем (начальный зенитный угол 2 град)
Проведя анализ графиков, можно сделать вывод, что для дальнейших расчетов следует использовать утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм, поскольку компоновки низа бурильной колонны, в состав которых они включены, в наибольшей мере подходят для бурения условно-вертикальных скважин, т. к. на интервале бурения 500 м максимальное отклонение величины зенитного угла от начального составляет только 3 град. Компоновки с диаметром
утяжелённых бурильных труб 229 мм над расширителем можно применять при бурении наклонно-направленных скважин, а именно при необходимости набора зенитного угла в направлении восстания пластов, а использование в компоновке низа бурильной колонны утяжелённых бурильных труб диаметрами 273 и 299 мм позволяет проводить скважины с набором зенитного угла в азимуте, противоположном первоначальному.
На рис. 3 изображены схемы четырех типов ступенчатых компоновок низа бурильной колонны, в состав кото-
рых входят долото, расширитель и разное количество опорно-центрирующих элементов.
а) б) в) г)
Рис. 3. Схемы компоновок низа бурильной колонны с двумя породоразрушающими элементами:
а - без опорно-центрирующих элементов; б - с опорно-центрирующим элементом над расширителем; в - с опорно-центрирующими элементами над долотом и расширителем; г - с опорно-центрирующим элементом над долотом и двумя опорно-центрирующими элементами над расширителем
При выполнении расчета согласно описанной методике была проанализирована работа вышеуказанных типов компоновок низа бурильной колонны при различных геологических условиях, а именно при различных индексах анизотропии пласта:
- изотропные горные породы (И = 0);
- горные породы со средним индексом анизотропии (И = 0,0075);
- горные породы с максимальным индексом анизотропии (И = 0,015).
На рис. 4 изображены графики изменения зенитного угла с углублением для компоновок с двумя породоразру-шающими элементами и разным количеством опорно-центрирующих элемен-
тов (см. рис. 3), которые являются оптимальными для проведения условно-вертикальных скважин.
Для бурения условно-вертикальных скважин с помощью ступенчатых компоновок низа бурильной колонны с долотом диаметром 393,7 мм и расширителем диаметром 660 мм без опорно-центрирую-щих элементов (см. рис. 3, а) можно выделить следующие компоновки:
- долото диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 5 м + расширитель диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм - для пород с индексом анизотропии 0,015;
- долото диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диамет-
ром 229 мм 7 м + расширитель диамет- трубы диаметром 254 мм - для пород с
ром 660 мм + утяжелённые бурильные индексом анизотропии 0,015.
Н -►
Рис. 4. Изменение зенитного угла а с углублением скважины Н (начальный зенитный угол 2 град):
а - без опорно-центрирующих элементов, И = 0,015; б - с опорно-центрирующим элементом над расширителем, И = 0,0075; в - с опорно-центрирующими элементами над долотом и расширителем, И = 0; г - с опорно-центрирующим элементом над долотом и двумя опорно-центрирующими элементами над расширителем, И = 0
Использование данных компоновок низа бурильной колонны позволяет проводить скважину с изменением зенитного угла от 2 град на начальном этапе бурения до 2,3.6 град на глубине 500 м (см. рис. 4, а).
Установление опорно-центрирую-щего элемента над расширителем дает возможность уменьшить техническую составляющую отклоняющей силы на расширителе, т. е. его дрейф в направлении восстания пластов будет более значительным по сравнению с гладкой компоновкой низа бурильной колонны, что приведет к образованию эксцентриситета в этом же направлении (см. рис. 1, 8 «+»). Такие компоновки можно использовать для бурения скважин, геологический разрез которых составляют изотропные породы и породы со сред-
ним индексом анизотропии, поскольку в этом случае действие геологической составляющей отклоняющей силы на по-родоразрушающих элементах меньше и, соответственно, боковое смещение долота имеет большее влияние на величину интенсивности искривления. Можно выделить следующие компоновки низа бурильной колонны данного типа (см. рис. 3, б):
- долото диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 5 м + расширитель диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм 3 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм - для пород с индексом анизотропии 0,0075;
- долото диаметром 393,7 мм +
утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 5 м + расширитель диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм 4 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм - для пород с индексом анизотропии 0,0075;
- долото диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 5 м + расширитель диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм 5 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм - для изотропных пород.
Бурение с использованием вышеприведенных компоновок низа бурильной колонны позволяет проводить условно-вертикальные скважины с приростом зенитного угла 1,4.5,5 град на 500 м (см. рис. 4, б).
Бурение с применением двух опорно-центрирующих элементов - одного над долотом и одного над расширителем - дает возможность использовать явление образования эксцентриситета на расширителе в направлении восстания пластов за счет опорно-центри-рующего элемента над ним для увеличения технической составляющей отклоняющей силы на долоте за счет «эффекта рычага» путем установления опорно-центрирующего элемента между долотом и расширителем. Можно выделить следующие компоновки этого типа для бурения условно-вертикальных скважин (см. рис. 3, в): долото диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 1.4 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 4.1 м + расширитель диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм 3 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм - для изотропных пород.
Использование данных компоновок низа бурильной колонны позволяет проводить скважины с незначительным изменением зенитного угла в направлении падения пластов с интенсивностью от -0,1 до -0,3 град на 100 м (см. рис. 4, в).
Для уменьшения величины бокового смещения расширителя и, соответственно, увеличения эксцентриситета за счет смещения долота в противоположном направлении принято решение об установлении еще одного опорно-центрирующего элемента над расширителем на расстоянии 8 м. Для бурения условно-вертикальных скважин можно выделить следующие компоновки этого типа (см. рис. 3, г):
- долото диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 2.4 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 4.2 м + расширитель диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм 3 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм 5 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм - для горных пород с индексом анизотропии 0,0075;
- долото диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 4 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 393,7 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 229 мм 1 м + расширитель диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм 3 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм 5 м + опорно-центрирующий элемент диаметром 660 мм + утяжелённые бурильные трубы диаметром 254 мм - для изотропных пород.
Использование данного типа
КНБК позволяет проводить скважины с изменением зенитного угла от 2 град в начале бурения до 1,5...6 град через 500 м (см. рис. 4, г).
Таким образом, расчеты, проведенные согласно описанной методике, подтверждают возможность бурения
условно-вертикальных стволов диаметром 660 мм с использованием двух по-родоразрушающих элементов. В зависимости от длины интервала бурения и конечного зенитного угла производится выбор соответствующей КНБК.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яремийчук, Р. С. Бурение стволов большого диаметра / Р. С. Яремийчук, Л. А. Райхерт. -Москва : Недра, 1977. - 174 с.
2. Фрыз, И. М. Исследование эксцентричного расширения / И. М. Фрыз // Тр. ВНИИБТ. -Москва, 1985. - Вып. 61. - С. 196-202.
3. Гречин, Е. Г. Расчеты неориентируемых компоновок для бурения наклонных и горизонтальных скважин / Е. Г. Гречин, В. П. Овчинников, В. Г. Долгов. - Тюмень : Нефтегазовый ун-т, 2006. - 121 с.
4. Воевидко, И. В. Разработка научно-методических основ и технических средств для повышения точности проведения нефтегазовых скважин в заданном направлении : дис. ... д-ра техн. наук / И. В. Воевидко. - Ивано-Франковск, 2007. - 353 л.
Статья сдана в редакцию 15 декабря 2017 года
Игорь Владимирович Воевидко, д-р техн. наук, проф., Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа. Тел.: +38-0342-72-71-37.
Василий Васильевич Токарук, аспирант, Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа. Тел.: +38-099-485-44-91.
Igor Vladimirovich Voievidko, DSc (Engineering), Ivano-Frankovsk National Technical University of Oil and Gas. Phone: +38-0342-72-71-37.
Vasyl Vasylievich Tokaruk, PhD student, Ivano-Frankovsk National Technical University of Oil and Gas. Phone: +38-099-485-44-91.
