ОТКЛОНЯЮЩИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ИСКУССТВЕННОГО ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН
Необходимость искусственного искривления скважин возникает при: бурении многоствольных скважин; обходе интервалов сложных аварий и осложнений; повторном перебуривании залежи полезного ископаемого в случае недостаточного выхода керна; невозможности удержать траекторию скважины в пределах допустимых отклонений от проектного направления при использовании закономерностей естественного искривления; недостаточной изученности закономерностей естественного искривления скважин на ранних стадиях разведки.
Искусственное искривление скважин осуществляется с помощью специальных технических средств, включающих откло
нители разнообразной конструкции, отбурочные снаряды, средства создания искусственного забоя и ориентирующую аппаратуру.
Отклонители предназначены для создания ориентированного перекоса забойной компоновки бурового инструмента в сква-
|
|
|
|
|
|
|
|
жине, обеспечивающего более благоприятные условия для неравномерного разрушения породы на забое или фрезерования стенки скважины. По своему целевому назначению они подразделяются на две группы: отклонители для забуривания дополнительного ствола из основного на заданном интервале глубины и для искусственного искривления скважин с естественного забоя.
Инструменты первой группы (отклоняющие клинья) можно разделить на неизвлекаемые стационарные и извлекаемые специальные.
Отклоняющие клинья бывают открытого и закрытого типов. Первые обеспечивают искривление скважины без потери диаметра, вторые — при обязательном переходе на следующий меньший диаметр. Конструкция отклоняющего клина проста. Он состоит из отклонителя, изготовляемого из труб или профильного железа, и распорного устройства. В клиньях закрытого типа отклонитель крепится в корпусе, изготавливаемом из обсадных или колонковых труб. В верхней части отклонитель имеет желоб. Угол скоса желоба клина составляет 2—3°, а получаемое при этом отклонение ствола скважины находится в пределах 2—2,5°. Для забуривания дополнительных стволов скважин при многоствольном бурении в настоящее время серийно выпускаются неизвлекаемые стационарные отклоняющие клинья открытого типа трех диаметров: КОС-73, КОС-57 и
КОС-44 с углом скоса желоба 2,5° (рис. 12.1) для первых двух и 1,5° для последнего. Клин 1 спускается в скважину вместе с распорным устройством II на бурильных трубах, присоединяемых к установочному патрубку III. При постановке клина на пробку — искусственный забой срезается шпилька I и клин раскрепляется в скважине.
> Предварительно клин ориентируется с помощью ‘ специальной аппаратуры. После установки клина на пробку под действием осевой нагрузки срезаются заклепки 2, и установочный патрубок вместе с бурильными трубами поднимается на поверхность. Пробка-забой (рис. 12.2) состоит из корпуса (диаметром 44, 57 иди 73 мм) с тремя
0 продольными окнами, распорного конуса 1 с направляющей и гидропривода 2. В окна корпуса
1 введены плашки, опирающиеся на конус. Пробка и гидропривод соединяются между собой замком и муфтой.
)) |
Гидропривод состоит из цилиндра, поршня и штока, в верхней части которого расположен обратный шаровой клапан. Цилиндр снабжен отверстиями для перепуска промывочной жидкости. Пробка-забой опускается в скважину на бурильных трубах. Под давлением промывочной жидкости поршень со штоком и корпусом перемещается вниз. Плашки расходятся и упираются в стенки скважины. Дополнительное расклинивание проб-
Рис. 12.3. Отклоняющий снаряд типа СО
ки-забоя обеспечивается системой гидроподачи бурового станка через бурильные трубы.
Отклонители для искусственного искривления скважин с естественного забоя по принципу своего действия подразделяется на три подгруппы: отклонители однократного, многократного и непрерывного действия. При этом под краткостью действия отклонителя подразумевается количество циклов по изменению направления скважины, выполняемых за один спуск отклонителя.
К серийно выпускаемым отклонителям однократного действия относятся отклоняющие снаряды СО-73/46 и СО-57/36. Схема отклоняющего снаряда СО дана на рис. 12.3.
Цельнометаллический клин 1 соединен с корпусом отклонителя 3 срезающимися заклепками 2 и шпонкой-ограничителем, обеспечивающей клину после срезания заклепок свободное перемещение вдоль оси на длину шпоночного паза.
Отбурочный снаряд, отличающийся по диаметру на два стандартных размера от диаметра корпуса клина, состоит из стандартной алмазной или твердосплавной коронки 11 и короткой’ колонковой трубы 10. Через втулку 4, муфту 9 и гайку 8 колонковая’труба соединяется с бурильной трубой 7. Муфта 9 крепится в корпусе отклонителя срезающимися винтами 5.
Отклонитель перед постановкой на забой предварительно ориентируют. После этого под действием осевого усилия, создаваемого гидравлической системой подачи бурового станка, срезаются заклепки 2. Корпус 3 смещается вниз и расклинивается между желобом клина и стенкой скважины. Увеличивая осевую нагрузку, срезают винт 5. При этом освобождается муфта 9. Ударом конусной гайки 8 по втулке 6 достигают полного расклинивания снаряда в скважине. В дальнейшем при вращении колонны бурильных труб гайка 8 отвинчивается от муфты’ 9. После этого приступают к бурению пилот-скважины малого диаметра освобожденным отбурочным снарядом. Углубление пилот — скважины продолжается на длину отбурочного снаряда (0,8— 1,2 м), затем он вместе с корпусом отклонителя извлекается из скважины на. бурильных трубах.
Поскольку диаметр пилот-скважины значительно отличается от диаметра основного ствола, цикл изменения направления скважины при использовании отклоняющих снарядов однократного действия требует выполнения ряда дополнительных операций и применения соответствующего комплекта вспомогательных инструментов. В состав этого комплекта входят ступенчатые расширители типа РС, предназначенные для расширения пилот — скважины до диаметра основного ствола и шарнирные компоновки, предназначенные для набора кривизны скважины ниже интервала постановки отклоняющего снаряда.
Конструкция серийно выпускаемых ступенчатых расширителей РС-59/76 и РС-46/59 дана на рис. 12.4. Она состоит из направляющего штока и нескольких переходников, к которым при
соединяются стандартные алмазные или твердосплавные коронки.
Рис. 12.5. Схема отклоняющего снаряда типа ТЗ-З |
Рис. 12.4. Ступенчатые расширители ч |
шения диаметра. К ним относятся рассмотренные уже ранее шарнирные компоновки и бесклиновые скользящие снаряды, обеспечивающие более надежное управление процессом искривления скважин. Наиболее широкое распространение из них получил снаряд ТЗ-З (тарбаган забайкальский), схема которого показана на рис. 12.5. Снаряд ТЗ позволяет искривлять скважину по плавной дуге te=const при использовании различных типов долот. Он состоит из ротора /, соединенного с породоразрушающим инструментом, и статора II. Ротор включает два опорных узла: нижний 2 и верхний 1, связанные с валом 7 и комплексирующей муфтой 8. |
В настоящее время наиболее перспективными для геологоразведочного бурения представляются отклонители непрерывного действия, которые обеспечивают искривление скважин с естественного забоя с постоянной интенсивностью и без умень-
Статор оснащен нижним 8 и верхним 6 полуклиньями, ползуном 4 с опорными каретками, корпусом 9 и пружиной 3.
При передаче осевой нагрузки на снаряд вал 7, сдвигаясь вниз, через муфту 8 воздействует на ползун 4, прижимая его к стенке скважины. Катки 5 внедряются в породу в стенке скважины и при перемещении ползуна 4 вместе со снарядом удерживают его в заданной фиксированной плоскости.
С передачей осевой нагрузки развивается отклоняющая сила, постоянно действующая на породоразрушающий инструмент.
Наличие в снаряде ТЗ узла блокировки многократного действия позволяет производить при необходимости и многократное его ориентирование в скважине. Длина цикла непрерывного искривления снарядом ТЗ колеблется от 3 до 15 м. Набор кривизны за цикл в среднем 1—1,15° на 1 м.
Техническая характеристика бесклиновых снарядов типа ТЗ-З
|
§ 2. МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ДЛЯ ОРИЕНТИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ОТКЛОНИТЕЛЕЙ В СКВАЖИНЕ |
Необходимым условием для осуществления направленного бурения скважин является ориентация отклонителей в пространстве. Сущность ориентации заключается в установке отклонителя в скважине в строго заданном направлении, характеризуемом углом установки ф. Угол ф определяется в плоскости, перпендикулярной к оси скважины (оси отклонителя) между нулевой плоскостью (начало отсчета) и плоскостью действия отклонителя. В зависимости от выбора начала отсчета для определения угла установки ф методы ориентации подразделяются на прямой (отсчет ведется от плоскости географического или магнитного меридиана) и косвенный (отсчет от апсидальной плоскости скважины)» Между углом установки отклонителя iJd и изменениями зенитных и азимутальных углов на интервале искривления скважины существует определенная зависимость, которая лежит в основе аналитических методов определения угла т|).
Так, по А. Н. Шаньгину
tg Да =—————— ^———— :—— , (12.1)
COS 0 COS i]) + sin 0 ctg б
где Дос — приращение азимутального угла после постановки отклонителя; в — угол скоса отклоняющего клипа; 6 — зенитный угол скважины в интервале постановки отклонителя.
Рис. 12.6. Графический метод определения угла установки отклонителя |
Наиболее прост и нагляден графический метод определения угла. Построение при этом ведется в следующем порядке. На прямой АВ (рис. 12.6) от произвольно выбранной точки в масштабе, например, 1°=1 см откладывается величина зенитного угла 0О, измеренного на интервале постановки клина. Из точки О, как из центра радиусом г, равным по величине (в том же масштабе) углу скоса желоба клина, вычерчивается окружность. При этом могут быть решены следующие задачи.
1. Если зенитный угол 0о больше угла скоса желоба отклонителя, то точка В окажется за пределами окружности (см. рис. 12.6, а). От точки В отмеряется. угол ЛВО, равный проекту приращения азимута в данной точке. Точки Ь и С соединяются с центром О. Образовавшиеся при этом углы АОй и АОС дадут два значения: |>1 и фг — При повороте клина на угол 1]51 произойдет увеличение зенитного угла, а при повороте на — его уменьшение, но в том и другом случае скважина получит приращение азимута на величину Да. Значения 01 и 02 находятся как длины отрезков: 01=БД 02 = ВС.
2. Если при построении угла Да линия ВЮ пройдет за пределами круга, то это означает, что обеспечить требуемое азимутальное искривление скважины за один цикл постановки отклонителя невозможно. В таком случае находят Датах, т. е. тот предельный угол, на который может быть осуществлено отклонение скважины при данном отклонителе. Угол ДаШах определяется следующим построением. Из точки В (см. рис. 12.6,6) проводят касательную к окружности. Образовавшийся при этом угол АВС=Датах-
3. Если 0О<6, то точка В будет лежать внутри окружности.
В этом случае также образуются два значения углов % и я^а (см. рис. 12.6, а).
Графическим же методом определяется полное искривление скважины, которое произойдет в результате постановки откло-
нителя. Для определения полного угла искривления от точки В (рис. 12.6,б) откладывается значение 0о=ВО до начала искривления. Затем из точки О откладывается второй отрезок ОЛ=А0. Принимая г=ВА, вычерчивают дугу. Из точки В под углом ЛВС—Да проводят линию ВС. Отрезок ОС=Др.
При прямом методе ориентации отклонитель с помощью магнитных или гироскопических инклинометров устанавливают непосредственно под требуемым углом относительно плоскости географического или магнитного меридиана. Этот метод обеспечивает ориентацию отклонителей в вертикальных скважинах. Однако из-за большой трудоемкости он в настоящее время применяется редко.
Косвенные методы ориентации применимы в скважинах, имеющих начальное зенитное искривление более 2—3°. Перед ориентацией отклонителя определяется положение апсидальной плоскости в пространстве с помощью инклинометра. Существующая ориентирующая аппаратура представлена приборами- индикаторами и измерительными приборами.
Индикаторы сигнализируют об установке отклонителя в скважине под заданным углом г]з к апсидальной плоскости только в том случае, если их чувствительный элемент займет положение в плоскости наклона скважины, т. е. в апсидальной плоскости. Желоб клина ориентируют относительно апсидальной плоскости поворотом колонны бурильных труб. Аппаратура индикатора состоит из ориентирующего переходника, забойного датчика и наземного пульта управления, оснащенного миллиамперметром. Ориентирующий переходник, во внутреннем канале которого установлена призматическая шпонка, соединяет компоновку отклонителя с бурильной колонной. На его наружной поверхности нанесена риска, совмещенная в одной плоскости с ориентирующей шпонкой. При сборке компоновки отклонителя направление его действия относительно апсидальной плоскости совмещают с риской на корпусе ориентирующего переходника. Аппаратура «Луч» предназначена для ориентации отклонителей, спускаемых на бурильных трубах ниппельного соединения диаметром 42 мм. Усовершенствованная конструкция забойного датчика аппаратуры «Луч» (рис. 12.7) состоит из корпуса 4, в который вмонтирован свечной мост 2, служащий электрическим выводом из прибора. Свечной мост герметизируется в корпусе резиновым сальником 3. В нижней части датчик имеет груз — удлинитель 12 и фиксатор-ловитель 13. Чувствительным элементом датчика служит маятник 7 (в сечении А—А обозначен 5), вращающейся на осях 6 и 8. Амплитуда качаний маятника ограничена с двух сторон контактами 14 и 1 (см. сечение А —А). Чтобы обеспечить однозначность показаний прибора при его повороте вместе с бурильной колонной, в корпусе установлен еще один маятник 10, подвешенный на оси 9. Плоскости качания маятников 7 и 10 взаимно перпендикулярны. Маятник 10 опирается
на контакт 11, который включен в электрическую цепь маятника 7. Положение маятника 7 между контактами 14 я 1 при замкнутом контакте маятника 10 соответствует моменту ориентированной установки отклонителя в скважине. При любом дру-
10
|
13 |
Рис. 12.7. Забойный прибор-датчик аппаратуры «Луч»
гом положении маятников электрическая цепь будет разомкнута и сигнал на наземный пульт управления поступать не будет.
Аппаратура «Курс», в отличие от описанного выше прибора, позволяет непосредственно измерить угол отклонителя и осуществить его установку не путем случайного поиска нулевой отметки датчика, а в результате поворота колонны на известный угол.
Скважинная часть аппаратуры представлена ориентирующим переходником и забойным прибором-датчиком диаметром 18 мм. В состав наземной части входят пульт управления лебедки, направляющий ролик с указателем глубин, приспособление для эталонирования прибора-датчика. Схема забойного прибор-датчика аппаратуры «Курс» дана на рис. 12.8. В верхнюю часть корпуса 1 прибора-датчика ввинчивается кабельная головка, а в нижнюю — фиксатор-ловитель. В гильзе датчика закреплены опоры с агатовыми подпятниками 6 и 15, на которые опирается несущая ось 13. На оси жестко закреплен эксцентричный груз 14 и установлен корпус 8 реохорда 9 с малым эксцентричным грузом. Корпус 8 установлен на оси на шпонке и подпружинен пружиной 12. Под реохордом уста- новлены щеткодержатель 11 с подпружиненной контактной щеткой 10, положение которой отмечено риской на кабельной головке (нулевая отметка). На верхнем конце оси имеется ограничитель 7 продольного перемещения корпуса реохорда.
і а |
Начало реохорда под действием эксцентричного груза устанавливается в апсидальной плоскости скважины. Контактная щетка 10, замыкающаяся с реохордом, может занимать различные положения в зависимости от угла поворота шпонки ориентирующего переходника относительно апсидальной плоскости, но при этом она будет замыкать различные длины измерительного реохорда, омическое сопротивление замкнутого участка реохорда является мерой угла установки отклонителя. Прибор-датчик включается с помощью арретирующего устройства с электромагнитным приводом. При включении электромагнита 2 в цепь его сердечник 3, втягиваясь в катушку электромагнита, .сжимает возвратную пружину 4, и штоки 5 освобождают корпус реохорда. Последний под действием пружины 12 поднимается до упора в ограничитель
7 и одновременно поворачивается под действием рД [ эксцентричных грузов так, что начало реохорда совмещается с апсидальной плоскостью скважины. При отключении электромагнита штоки 5 возвращаются под действием пружины 4 в исходное положение и перемещают корпус реохорда вниз, пока он не замкнется со щеткой 10.
15
Рнс. 12.8. Забойный прнбор-датчик аппаратуры «Курс»
В этот момент на наземном пульте управления определяется положение отклонителя в скважине. Наземный пульт управления представляет собой потенциометр, собранный по мостовой схеме, одним из плеч которой является реохорд забойного при — бора-датчика. Перед спуском отклонителя в скважину его предварительно ориентируют на поверхности, устанавливая направление его действия под требуемым углом относительно апси — дальной плоскости. Установив прибор-датчик в ориентирующем переходнике и включив цепь, балансируют сопротивления плеч измерительного моста путем поворота корпуса прибора-датчика при освобожденной контргайке фиксатора-ловителя так, чтобы миллиамперметр пульта показывал ноль. Затем извлекают прибор-датчик из ориентирующего переходника и, не изменяя относительного положения корпуса прибора-датчика и фиксатора-ловителя, закрепляют контргайку. На этом предварительное ориентирование заканчивают, спускают отклонитель в скважину.
Ориентирование отклонителя в скважине производят путем поворота бурильной колонны по направлению часовой стрелки до положения, когда стрелка миллиамперметра на пульте управления опять установится на нуле. Необходимый угол поворота бурильной колонны можно при этом определить и путем балансирования сопротивлений измерительного моста с помощью потенциометра пульта управления.
Техническая характеристика ориентаторов
|
§ 3. БУРЕНИЕ МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН |
Создание и освоение техники и технологии направленного бурения с искусственным искривлением скважин обеспечили возможность развития новых методов проведения буровых работ при разведке месторождений полезных ископаемых. Одним из таких методов является бурение многоствольных скважин, сущность которого заключается в сооружении из одного основного
ствола нескольких дополнительных стволов с помощью одной буровой установки.
Бурение многоствольных скважин применяется для решения разнообразных геологических задач: разведки месторождений полезных ископаемых, проверки геофизических аномалий в сочетании с геофизическими методами исследования межскважин — ного пространства, отбора технологических проб значительной массы, дополнительного отбора керна при перебуривании залежи полезного ископаемого и т. п.
Рис. 12.9. Расчетная схема трех — интервального профиля ствола направленной скважины |
Вместе с тем бурение многоствольных скважин позволяет существенно повысить экономическую эффективность геологоразведочных работ за счет сокращения объема бурения и снижения затрат на вспомогательные работы (монтаж, демонтаж и перевозка буровых установок, строительство коммуникаций и т. п.). При бурении многоствольных скважин дополнительные стволы могут располагаться в одной вертикальной плоскости, искривляясь в одну сторону или в противоположных направлениях, а также задаваться в различных азимутальных направлениях. Чаще всего их стремятся расположить в одной вертикальной плоскости, учитывая закономерности естественного искривления скважин.
При проектировании рационального профиля дополнительного ствола учитывают следующие требования: дополнительный ствол должен подсекать залежь полезного ископаемого в пределах допустимого отклонения от проектной точки подсечения в соответствии с принятой плотностью разведочной сети; кратчайшее расстояние от точки подсечеиия до линии продолжения основного ствола определит при этом величину проектного отхода Н дополнительного ствола от основного; траектория дополнительного ствола должна обеспечивать минимально возможные затраты времени и средств на проходку скважины в этом интервале, свободный проход забойных компоновок бурового инструмента и отклонителей, а также достаточный запас прочности бурильных труб, работающих в искривленной скважине.
По В. П. Зиненко, стоимость бурения дополнительного ствола можно определить выражением
где — дополнительные затраты на 1° искусственного искривления, руб/градус; С2 — средняя стоимость 1 м бурения в данном интервале глубин, руб/м; £д — длина дополнительного ствола, м.
Расчетная схема трехинтервального ствола скважины дана на рис. 12.9.
Если основной ствол является прямолинейным с зенитным углом 0Ср (рис. 12.9), дополнительный состоит из ‘интервала 1и с постоянной интенсивностью искривления и прямолинейного наклонного интервала /2, то
Ьл = /* + 4, (12.3)
/х = Д0/£е; (12.4)
= Д6; (12.5)
. Л2 = Я— — (1— совДе). (12.6)
К
Тогда
И—— — (1 — cos Д0)
^———————————————— (12.7)
(е sin Л0
Н——— — (1 — cos А0) АО К ___________ _ /е sin Д0 |
С2. (12.8) |
и выражение (12.2) получит вид С = CiAB Ц-
Дифференцируя уравнение (12.8) при ДО и приравнивая производную нулю, можно получить значение Д0а, соответствующее минимуму стоимости бурения дополнительного ствола, из решения следующего уравнения:
Лсо52Д0э + Всо5Деэ + 1—Л-0, (12.9)
где
Л = -£мв +1; В = /Ш—1.
Са
Соответственно,
Д0Э = arccos ~В-± , (12.10)
Если после проходки искривленного интервала дополнительного ствола возможно естественное искривление скважины в сторону выполаживания с постоянным радиусом кривизны /?] = 1//Ci,
то для получения заданного отхода Н должно выполняться следующее соотношение:
— (1 —cos Д0Х) + — (cos Д0!—cos Д0Э) = Н, (12.11)
К К
где Д01 — необходимое приращение значения зенитного угла в начале интервала естественного искривления для получения заданного отхода Н.
Тогда
Н — -}- —-— cos Д0Э
А01 = arccos———— ——— ——————- (12.12)
1<л К
Положение точки зарезки дополнительного ствола находят путем проектирования его на направление основного ствола
ЯC= — sin Д01 —— (sin Д0Э—sinA0i). (12.13)
К Ki
Значение интенсивности искривления /е на участке дополнительного ствола /| выбирается с учетом технических возможностей отклонителей и проверяется по условиям их свободной проходимости, а также по условиям работы бурильных труб в искривленном интервале скважины.
Дополнительные стволы при бурении многоствольных скважин могут забуриваться в различной последовательности, в зависимости от которой различают два метода: снизу вверх и сверху вниз.
По методу снизу вверх сначала проходят основной ствол до конечной глубины по его проектной траектории, а затем последовательно забуривают и проходят дополнительные стволы, начиная с самого нижнего. При этом основной ствол перекрывается искусственным забоем, что требует проведения всех исследований в нижерасположенных интервалах основного и дополнительного стволов, до забуривания вышележащего ствола. Отклонение скважии в этом случае осуществляется с помощью стационарных клиньев, а также бесклиновыми снарядами с искусственно созданного неметаллического забоя (цементный мост).
По методу сверху вниз основной ствол бурят до определенной глубины, на которой в результате ‘резкого искривления забуривается первый дополнительный ствол. После еГо проходки продолжают бурение основного ствола по проектной траектории до следующего интервала, где забуривают второй дополнительный ствол. При необходимости процесс продолжают в той же последовательности.
При этом основной ствол скважины остается свободным, что позволяет проводить весь комплекс исследований в скважинах после завершения их бурения.
Особенно эффективно при этом методе применение бесклино- вых снарядов для забуривания дополнительных стволов.
Для проходки дополнительного ствола рекомендуется применять бесклиновые снаряды, диаметр которых на один-два размера меньше диаметра основного ствола, а дальнейшее бурение основного ствола осуществлять с применением жестких компоновок.