Механизм искусственного искривления скважин скользящими отклонителями непрерывного действия

УДК 622.243.2

Ю.Т.МОРОЗОВ

профессор кафедры технологии и техники бурения скважин

А.М.МОЧУЛОВСКИЙ

аспирант кафедры технологии и техники бурения скважин

МЕХАНИЗМ ИСКУССТВЕННОГО ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН СКОЛЬЗЯЩИМИ ОТКЛОНИТЕЛЯМИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Предложен механизм искусственного искривления скважин отклонителями непрерывного действия, основанный на разрушении стенки скважины в процессе ее бокового фрезерования смещающимся долотом под действием возникающего отклоняющего усилия. Для плавного набора кривизны предлагается регулировать величину отклоняющего усилия, а для достижения максимального угла отклонения - частоту вращения долота.

The mechanism of artificial borehole deviation by sliding whipstocks continuous action, based on destruction of a borehole wall during its lateral milling by displacing bit under action of arising rejecting effort. For a smooth set of deviation it is offered to adjust rejecting effort and for achievement of the maximum angle - to adjust frequency of bit rotation.

Разработка оптимальной технологии направленного бурения скважин остается актуальной проблемой как при разведке месторождений на нефть и газ, так и твердых полезных ископаемых. Для искривления скважин в проектном направлении разработаны отклоняющие системы различных конструкций и наиболее важной задачей оптимизации их применения является исследование механизма искусственного искривления ствола скважины тем или иным откло-нителем.

При искусственном искривлении (ИИ) геолого-разведочных скважин в твердых породах применяются отклонители непрерывного действия, в том числе с регулируемым перекосом их отклоняющего узла. При постановке на забой такие отклонители формируют изогнутую компоновку с опорой на три точки и постоянным углом перекоса у между их коротким L2 и длинным L1 плечом.

Геометрия движения такой компоновки в скважине по некоторому радиусу R описывается уравнением

R =

L + L

2sin у

Однако эти зависимости никак не характеризуют механизм искривления скважины. Из ряда отклонителей наиболее совершенны, на наш взгляд, конструкции, реализующие совместное фрезерование стенки скважины под действием отклоняющего усилия, и асимметричное разрушение забоя при бурении при совпадении процесса по направлению, например, от-клонитель бесклиновой скользящий (ОБС) конструкции ВИТР. Механизм разрушения боковой стенки скважины под действием отклоняющего усилия таким отклонителем был схематично описан в работе*. В данной статье излагается более строгое математическое описание процесса искусственного искривления.

* Морозов Ю.Т. Расчет отклоняющего усилия при работе бесклиновым снарядом непрерывного действия / Ю.Т.Морозов, М.П.Олексенко, А.М.Тихонов // Изв. вуз. «Геология и разведка». № 2. 1969. С.139-144. _ 33

Санкт-Петербург. 2007

Ol

-Z \f

Рис.1. Формалиация процесса искусственного искривления в подвижной системе координат

При использовании отклонителей типа ОБС обеспечивается процесс формирования траектории направленной скважины с заданной кривизной в заданном направлении. Его конструкция позволяет создавать для породоразрушающего инструмента (ПРИ) на забое двунаправленное силовое воздействие на горную породу (Рос, Рот). Одновременно с этим на инструмент действует осевой момент вращения с некоторой частотой (п). Совокупность действия Рос и п приводит к разрушению горной породы под торцом ПРИ с механической скоростью Ум в направлении действия Рос, а совокупность действия Рот и п при перекосе отклоняющего узла приводит к разрушению горной породы в направлении активного (контактирующего со стенкой скважины) сектора долота, что ведет к смещению ПРИ и оси скважины с боковой фрезерной скоростью Уфрез в заданном направлении. Для иллюстрации указанного механизма и расчетов выбираем систему координат (ZOY), связанную с ПРИ (рис.1).

Известен способ задания траектории кривой, соответствующий данному моменту, выражением

K =

YZ - ZY

(Z2 + Y2 )2

Очевидно, что

iZ"

lY= VY = VMS1n

Z = vz = Vm cos;

а также

|Y = 1>фрезс°8 ß; |Z= 1>фрез81П ß,

тогда

K =

фрез

где 1>фрез - скорость фрезерования активным сектором боковой поверхности долота стенки скважины, LT 2.

Если представить

V = KP

фрез 1 от '

где К - коэффициент бокового фрезерования, то с учетом бокового смещения центра I долота при ИИ получим

K =

Kl/Рот = KA lvM

/v

Размерности скорости, силы, ускорения и кривизны, входящие в выражение (6), определяются соответственно

Ум = ЬГ\ Ум = Ы2; k=Г1; Рот = ЬЫГ \

Откуда

Ki =

( LMT-2 y1

LT -

=м -

Использование экспериментальных

значений vM и K =

п

180'

-г , полученных при

проведении полевых испытаний ОБС-59 и ОБС-76 в породах VI-X категорий по бу-римости, позволило определить интервал

Z

O

2

V

м

2

варьирования ускорения фрезерования

фрез

(рис.2).

Таким образом, полученная аналитическая зависимость (6) раскрывает физику процесса ИИ и позволяет определять технологические параметры. При этом vм в выражении (6) имеет вторую степень, поэтому и погрешность, вносимая данным параметром в процесс ИИ, будет в два раза больше погрешностей от других членов. С другой стороны, vм - параметр, имеющий высокий уровень детерминативности в процессе ИИ, поэтому основной акцент исследований нами сделан на анализе величины работы Аб.

Числитель уравнения (6) представляет собственно работу Аб (в джоулях), которую производит активный сектор боковой поверхности долота в процессе ИИ:

Аб = K Рот ^фр n

-1

где К' - коэффициент, зависящий от выбора размерности единиц силы, скорости и частоты вращения ПРИ; Аб = 60Жп; Ж = 2,7• 10Г4Ро^фрез, Вт;

А = LPот, L = 0,0166v,

фрез

м; L и W - со-

кращающие постоянные коэффициенты.

V. , м/с2

фрез '

1,5 • 10-7

1 • 10-'

5 • 10-8

h/ 2 ^

k1

4 V , м/ч

м '

Рис.2. График зависимости уфрез = f

при кривизне k = const для вариантов: k = 8,73 • 10-3 м-1; k2 = 3,05 • 10-2 м-1; k3 = 5,24 • 10-2 м-1

Если все переменные, входящие в (7), взяты в системе СИ, то К' = 0,01666.

Значения Аб были определены по экспериментальным данным, полученным в процессе стендовых испытаний двух типов долот: АДН-59 (алмазное долото); 59К-ЦА (двухшарошечное). Их результаты представлены на графиках (рис.3-4).

Таким образом установлено, что с увеличением фиксированной частоты п энергия разрушения горных пород уменьшается (рис.3), а для процессов, в которых

Аб, Дж 0,09

0,08

0,07

0,06 -

0,05 -

0,04 -

0,03 -

0,02 -

0,01 -

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

W, Вт

Рис.3. График зависимости Аб = f (Ж, п) для алмазного долота при п,Уфр = сonst: п = 100 мин-1; п2 = 175 мин-1; п3 = 250 мин-1; п4 = 325 мин-1; п5 = 400 мин-1

0

-1

0

_ 35

Санкт-Петербург. 2007

Аб • 10-3, Дж

40 35 -30 -25 -20 15 10 -5 -0

5

10

15

20

25

30 L • 10-6, м

Рис.4. График зависимости Аб = f(LP0T) для алмазного долота при Рот, Уфр = const: Р0т1 = 750 Н; Рот2 = 1000 Н; Рот3 = 1250 Н

0

Рот = const, с увеличением Рот энергия разрушения увеличивается (рис.4). С другой стороны, крутизна характеристик Аб при фиксированных значениях n выше, чем при Рот = const. Следовательно, при регулировании интенсивности ИИ отклоните-лем параметр Рот предпочтителен для задач плавного набора кривизны, а для получения более высоких значений интен-сивностей искривления стволов - рост параметра n как для алмазных, так и для шарошечных долот.

Таким образом, если выражение (6) привести к виду

* Мочуловский А.М. Снижение неопределенности проектирования процесса искусственного искривления скважин отклонителями непрерывного действия // Методика и техника разведки / ВИТР. СПб, 1999. № 9-10 (147-148). С.224-231.

К пр = Рот

(здесь Мб = 1/К1 - коэффициент пропорциональности, м), то на его основе в каждом конкретном случае появляется возможность определять оптимальные технологические параметры цикла ИИ ОНД. И если после постановки ОБС было установлено, что /факт расходится с /проект, то возможны два вывода: либо не была выдержана проектная ум, либо необходимо заменить долото на долото с большей фрезерующей способностью.

Таковы, на наш взгляд, основные теоретические положения механизма искусственного искривления отклонителями непрерывного действия, применяемых для корректировки траекторий направленных скважин.