Вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) на геофизических симпозиумах SEG Хьюстон 2013 и EAGE Амстердам 2014 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

БУРЕНИЕ

УДК 622.243.23 47

Выбор допустимых радиусов кривизны скважин сверхмалого диаметра (каналов) для технической системы «Перфобур»

А.В. Лягов

д.т.н., профессор, главный специалист отдела строительства скважин1 [email protected]

И.А. Лягов

аспирант2 [email protected]

1ООО «БашНИПИнефть», Уфа, Россия Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», С-Петербург, Россия

В статье описан опыт использования в составе компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК) перфобура малогабаритных винтовых двигательных секций и гибких межкорпусных и межроторных сочленений, которые способствуют уменьшению радиуса кривизны до показателя 5,3 м. а, возможно, и менее, о чем свидетельствуют результаты стендовых испытаний. Проведенные аналитические исследования позволяют говорить о том, что использование гибких соединений в составе КНБК перфобура обеспечивает получение траекторий перфорационных каналов с минимальным радиусами кривизны, схожих с дугой окружности, в которую вписывается компоновка.

Материалы и методы

1. Определение минимально возможных радиусов кривизны перфорационных каналов пробуренных с использованием технической системы «Перфобур».

2. Исследование траектории перфорационного канала при применении рассматриваемой технологии.

3. Стендовые эксперименты бурения каналов в песчано-бетонном блоке перфобуром с гибкими межкорпусными и межроторными сочленениями.

Ключевые слова

перфорационный канал, заканчивание скважин, винтовой забойный двигатель (ВЗД), шпиндельная секция ВЗД, радиус кривизны, перекашивающий момент, гибкое соединение, компоновка нижней части бурильной колонны (КНБК)

Надежная и эффективная работа бурового и нефтегазопромыслового оборудования в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах в первую очередь зависит от интенсивности искривления ствола, которая ограничивается как нормативными документами «Правила безопасности в нефтяной и газовой отрасли», так и требованиями прочности и долговечности.

В ходе аналитических расчетов действия изгибающих моментов и анализа отказов оборудования при промысловых испытаниях технической системы «Перфобур» был проведен аналитический синтез базовых узлов повышенной надежности. В результате были спроектированы инструментальные компоновки для бурения каналов с различными радиусами кривизны: 3,5 м; 5,5 м; 7,7 м и 12 м.

Бурение стволов малого диаметра имеют различные предпосылки: геологические, технические и экономические. Геологические преимущества подробно обоснованы в работах С.И. Кувыкина, Н.Ф. Кагарманова и М.У. Муратова [1-3]. Технико-экономическое обоснование строительства скважин впервые было сделано В.С. Федоровым в 50-х годах прошлого века, где отмечалось незначительное сокращение объема разрушенной долотом породы, ускорение и удешевление первичного вскрытия ПЗП скважины за счет снижения подводимой мощности, которая по В.С. Федорову пропорциональна диаметру долота [4,5]. Например, необходимая мощность для работы долот 0 215,9 мм составляет 50...250 кВт; для долот 0 190,5 мм — 28...230 кВт; для долот 0 120,6 мм — 9.38 кВт; для долот 0 83 мм — 5.21 кВт; и для долот 0 47,6.69,9 мм — 1,4.2 кВт, конечно, в зависимости от буримости пород.

В.И. Тарасевичем, А.Ф. Сухановым, А.И. Медведко, Ф.М. Гусейновым и др. признается рост механической скорости с уменьшением диаметра долота [6-10]. Также создаются более благоприятные условия для очистки забоя от выбуренной породы за счет возможности увеличения скорости восходящего потока в уменьшенных зазорах между стенками скважины и бурильной колонны, при меньшей мощности буровых насосов и т.д

На основании исследований, выполненных в БашНИПИнефть, ВНИИБТ и др. НИИ в 1957.67 гг. доказано [11-13, 15-19]: 1. С уменьшением диаметра долота повышается эффективность разрушения пород и увеличивается механическая скорость проходки. Проходка на долото в мягких породах увеличивается, а в твердых породах снижается от 20% до 200%, из-за низкой стойкости опорных узлов шарошек (шарошечные долота 1950.1960-х годов выпуска). Сегодня имеются потенциальные возможности повышения проходки на долотах малого диаметра при применении долот истирающе-режущего типа, например, долот PDC;

2. Общая продолжительность спуско-подъ-емных операций (СПО) снижается, также снижается продолжительность основных и непроизводительных работ из-за облегчения всех видов колонн;

3. Продолжительность строительно-монтажных работ может быть снижена в 2-3 раза.

В целом, с уменьшением диаметра долота возрастает производительность труда, коммерческая и цикловая скорость бурения. В различные периоды развития скважинных технологий к вопросу бурения малым диаметром неоднократно обращались различные буровые подрядчики и нефтегазодобывающие компании, но до сих пор вопрос остается открытым, несмотря на очевидные и доказанные предпосылки.

Обоснование траектории КНБК сверхмалого диаметра и определение минимального возможного радиуса кривизны

При выборе допустимой интенсивности искривления ствола скважины в первую очередь следует учитывать радиус кривизны, который подбирают из условий:

а) минимизации остаточных деформаций при прохождении и работы оборудования на искривленном участке канала;

б) сведения к минимуму влияния упругих деформаций элементов конструкции компоновки перфобура при её прохождении через искривленный участок.

Необходимо также учитывать вероятность износа обсадной колонны и образование канавок на внутренней части обсадной колонны [12].

Проектированием КНБК с минимальными радиусами кривизны, позволяющим оптимизировать профиль скважины, занимались исследователи: Калинин А.Г., Султанов Б.З., Н.А. Григорян, Морозов Ю.Т. и др., а так же научные организации: ВНИИБТ, БашНИПИнефть ТатНИПИнефть и др. [11, 12]. Получены аналитические зависимости, связывающие механические параметры КНБК, геологические особенности пластов, энергетические возможности спускоподъ-емной техники [12, 13].

Забуривание бокового канала (ствола) является наиболее энергоемким процессом при строительстве многозабойных скважин. Компоновка, находясь на клине-отклонителе, постепенно переходит в породу по определенной траектории. От формы траектории зависит характер сил, действующих на компоновку.

Составим уравнение движения шарнирной компоновки перфобура при зарезке (фрезеровании) окна канала из клина откло-нителя. Расчетная схема показана на рис. 1.

Пусть КНБК, состоящая из шпинделя 4 с долотом 2, общей длинной 10 (до линии перегиба кривого переводника 6), двигается так, что её конец (точка А) скользит по клину 1 по прямой ОО1, а скорость точки В равняется V и

направлена по прямой АВ.

В начальный момент точка С, имитирующая выступ долота, также принадлежит прямой ОО1, но при движении точки А по клину точка С начинает двигаться по некоторой кривой. Через определенный промежуток времени точка А проходит на кривую, описанную точкой С, которая продолжает движение уже по другой траектории и т.д. по бурящемуся каналу. Таким образом, мы получаем траекторию канала, которая состоит из суммы дуг кривых, имеющих в общих точках общие касательные, за исключением точки перехода с прямолинейного клина на криволинейный канал.

В общем виде движение шпиндельной секции КНБК перфобура длиной 10 при кривой секции запишется следующим образом (рис. 2):

(1)

где — ^ скоростьточкиА по кривои; уг — угол наклона касательной к кривой в точке А; Ф — угол между шпинделем длиной 10 и ул. Для первого участка будем иметь:

Интегрируя, получим:

2 л2

Начальные условия: при я = 0 , и малости углов Ф1 = Ф10 = к/1о. (2)

Для второго участка имеем:

+ф|)

Л

ds.

■ sinq>:.

Выразим dsx через ds, т.е. свяжем перемещение точки А по второму участку с перемещением точки А по первому участку:

К

+ h)J(р; = (.— + h)

SlllfP;

m

L

ds =

I

■ф, JsmiptA'-«Vi

Тогда для второго участка:

Начальные условия:

пРи s/l0 = 0 ф2 = ф1к- <р0 .

Или окончательно в общем случае:

Ш . , !

-ЫПфл.,(--- + ig*pLi )шф„= ~Шф„_,

ds

I,

'ЯФ„_,

ПРи Я/10 = 0 Ф2 = Ф(п _ 1) , ,

где ф(п _ 1 к — конечный угол на (п-1)-м участке.

Так как углы ф1о, ф1,......фпявляются малыми, то справедливы следующие приближенные уравнения [14]:

(3)

при прежних начальных условиях (2). Система уравнений (3) решалась по методике ВНИИБТ [11-17], в результате получили:

Подсчитаем значения соотношений для компоновки перфобура:

V,

В таб. 1 приведены полученные значения отношений фл/ ф1о.

Рассмотрим уравнение:

Ф.,

> 0.

Так как

Ф| „ =

^ г gg

2 L

(где йД- ДВЗД = (58 - 43) = 15 мм — разность диаметров долота и двигателя), то

R =-^-S2,6м '

Од ~Dm

что совпадает с геометрическим расчетом радиуса кривизны для случая асимметричного разрушения забоя [18], тогда при l0 = 300 мм, R = 6 м; при l0 = 400 мм, R = 10,7 м.

В таб. 1 приведены значения минимально допустимых радиусов кривизны КНБК перфобура при различных диаметрах долота. КНБК перфобура с гибкими межкорпусными и межроторными сочленениями, позволяющие получить минимальный радиус кривизны при бурении перфорационных каналов, представлена на рис. 3.

Варьируя диаметр долота и длину шпиндельной секции, можно определить радиус кривизны канала для различных мощностей продуктивной зоны пласта скважины.

Сделать точные выводы о дальнейшей траектории на основании уравнений (3) нельзя ввиду их приближенности и из-за накопления ошибок вычислений [17].

Однако можно заметить, что если компоновку, представленную на рис. 3, поместить в канал, искривленный по окружности радиуса к, то в дальнейшем движение будет происходить по окружности того же радиуса, что было установлено при лабораторных испытаниях на экспериментальном стенде.

Действительно, для этого случая будем

иметь: , ,

ац> . а\у

Тогда:

Так как <pn1 монотонно возрастает, то в начальный момент:

То есть если я = 0, то в начальный момент будет выполняться условие:

При этом длина пути КНБК, необходимая для достижения значения ф, отличного от ф0, выразится формулой:

Щ

I '

Если в какой-то момент dфn / 10 станет отрицательным, то это будет означать, что фп < фп1 и в дальнейшем фп будет убывать, а фп 1 возрастать, т. е. далее будет выполняться условие фп < фщ, в частности, фл < ф(п_т

Как видно из таблицы 1, фпк < фп_1к при п<26. П

Следовательно, фп (я / 10) на участках 1 < п > 26 монотонно возрастает в пределах фп0 < фп > флт. е. сохраняет значение, близкое

к 2фо.

Отсюда радиус искривления (см. рис. 2), практически начиная с третьего участка, равен: Я = I/ ф = I / 2ф, .

0 'п 0 <1о

ф|'5111<р -

К

Так как знаменатель подинтегрального выражения при ^

ф,, = агезт 0 К

обращается в нуль, то значение этого несобственного интеграла равно

Следовательно, угол ф не может принимать другого значения, кроме ф = ф0. Таким образом, движение продолжается по той же окружности.

В то же время мы показали, что если движение начинается с прямого участка клина отклонителя, то траектория приближается к той же окружности.

Если рассматривать начало движения со второго участка, который представляет собой участок логарифмической спирали, то в дальнейшем траектория также приближается к окружности. Таким образом, можно сделать вывод: если движение начинается с 26-го участка, весьма близкого к окружности, то и в дальнейшем движение будет происходить по траектории, близкой к окружности, радиус которой совпадает с радиусом окружности, в которую вписывается компоновка.

Отсюда, траекторию канала, получаемую

где

(р|' -1,7182 ч>1п ф11' —2,0000 ч>,„ -2.0002

Ф —= 1,9524 ЧЧ, Фр- =2,0000 =2.0002

ф!< =1.9957 =2,0000 % =2,0002

^=2.0000 44 ^=2,0001 "К ^_=2,0002 91.

Ф!' =2.0000 44 =2,0001 <Ь'* =2,0002

=2,0000 ф|„ =2,0001 Ф|, =2,0002

ф — =2,0000 Ф* =2,0002 Ш —=2,0001 <Р,,

Ф"' =2,0000 Ф,н* =2,0002 % Ф"!' =2,0001

44 =2.0000 =2,0002 =2.0001

^ =2,0000 ^ =2,0002 ^ =2,0000 VI,,

Таб. 1 — Значения отношений фл/<рю Диаметр долота (мм) Радиус кривизны (м)

55 3,25

56 3

57 2,78

58 2,6

59 2,43

Таб. 2 — Зависимость радиуса кривизны от диаметра долота при 10 = 200мм

Рис. 1 — Расчетная схема входа зарезки окна канала: 1 — клин отклонитель; 2 — долото; 3 — гибкий вал; 4 —шпиндельная секция ВЗД длиной 10 ВЗД 2Д-43.5/6; 5 — силовая секция ВЗД 2Д-43.5/6; 6 — переводник кривой

Рис. 2 — Расчетная схема движения шпиндельной секции винтового забойного двигателя 2Д-43.5/6

Рис. 4 - Прогнозируемые профили перфорационных каналов при угле отклонителя 7° а — траектория ствола радиусом 3,5 м КНБК перфобура с односекционным ВЗД Д-43.5/6 и одним центратором, угол искривления шпинделя-отклонителя (ШО) 8°28'; б — траектория ствола радиусом 5,5 м КНБК перфобура с двух секционным ВЗД 2Д-43.5/6 и гибкими межкорпусными сочленениями, угол искривления ШО с гибким валом 6°30'; в — траектория ствола радиусом 7,7 м КНБК перфобура с двух секционным ВЗД 2Д-42.9/10 и с двумя

центраторами, угол искривления ШО 5°; г — траектория ствола радиусом 12 м КНБК перфобура с односекционным ВЗД 2Д-43.5/6 без центраторов, угол искривления ШО 4°

Рис. 5 — Шпиндель-отклонитель перфобура с гибким валом 1— вал шпинделя; 2 — гайка-ниппель; 3 — корпус шпинделя; 4 — опора радиально-осевая; 5 — переводник кривой; 6 — вал гибкий; 7 — полумуфта гибкого вала

Рис. 3 — Сборка КНБК перфобура с гибкими соединениями для испытаний на стенде УГНТУ

Рис. 6 — Шпиндельная секция с шарнирным соединением (сверху) и гибкие межкорпусные и межроторные сочленения перфобура (внизу)

при помощи гибких отклонителей, можно с достаточной степенью точности принимать за дугу окружности.

Выбор радиуса кривизны при различных КНБК перфобура

Определение минимально возможного радиуса кривизны перфорационного канала производилось по формуле [13, 19]:

(4)

где ЬВ3Д — длина статора с верхним переводником до

места искривления ВЗД;

ОВ3Д — наружный диаметр статора ВЗД;

Эд — диаметр долота.

Угол искривления ВЗД определяли из полученной на стадии разработки эскизного проекта зависимости:

осевых линий (прямолинейной у шпинделя с долотом и криволинейной у ствола перфорационного канала, = 1,03...1,05).

Используя исходные данные: ЬВ3Д = 0,6 м,

О = 0,043 м, О = 0,056 м, Ь = 0,225 м,

взд д шп

кп = 1,03, получен предельно малый радиус кривизны ствола канала Я = 3,5 м и угол искривления ВЗД в = 8о28' (рисунок 4 а).

Были спроектированы следующие инструментальные компоновки: 1. Компоновка с двух секционным укороченным статором ВЗД (2Д-43.5/6) и гибкими межкорпусными сочленениями со

следующими параметрами: L

0,73 м,

(5)

где Ьш — длина шпинделя от места искривления ВЗД до конца долота;

к — поправочный коэффициент на разницу форм

D = 0,043 м, D = 0,056 м, L = 0,265

взд д шп

м, р = 6о30', при которых радиус кривизны перфорационного канала, пробуренного в цементно-песчаном блоке в стендовых условиях, составил 5,5.5,6 м (рис. 4 б);

2. Компоновка с двухсекционным укороченным статором ВЗД 2Д-43.5/6 и двумя центраторами диаметрами 56 мм, установленными на расстоянии 570 мм и 1480 мм от долота, имеет следующие параметры: L = 0,5 м, D = 0,043 м, D/f

= 0,058 м, Ьшп = 0,43 м, в = 5о, при которых радиус кривизны перфорационного канала, пробуренного в стендовых условиях, составил 7,7 м (рис. 4 в). Компоновка спроектирована таким образом, чтобы свести к минимуму величины действия изгибающих моментов, влияние которых на КНБК перфобура подробно описано в статье [20]. В качестве забойного двигателя выбран ВЗД модели Д-42.9/10, перекашивающий момент на валу которого на два порядка меньше, чем у модели Д-43.5/6 при схожих технических и энергетических характеристиках. Использование винтового забойного двигателя типа Д-42, взамен ранее использованного Д-43, позволит снизить вибрацию в КНБК перфобура и обеспечить надежную работу оборудования в перфорационном канале с малым радиусом кривизны за счет многократно меньшего перекашивающего момента и достаточной величины крутящего момента;

3. Компоновка с односекционным удлиненным статором ВЗД Д-43.5/6 без гибких

Рис. 9 — Процесс бурения канала в песчаном Рис. 11 — Деформация и разгерметизация многослойного

блоке КНБК перфобура гибкого соединения — сверху, снизу — новое гибкое соединение с

с гибким соединением дополнительным слоем