Прогрессивные технологии сооружения скважин

ЭКСЦЕНТРИЧНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Действие эксцентричных расширителей основано на создании в породоразрушающем инструменте эксцентричной массы, сме­щенной относительно оси скважины. При вращении колонны бурильных труб за счет центробежных сил эксцентричная масса смещается к стенкам скважины и начинает подрабатывать боко­вую поверхность ствола. Колонна бурильных труб при этом опи­сывает прецессионное движение, при котором инструмент враща­ется вокруг оси скважины, окатывая боковой забой.

Наиболее широкое применение в практике получила конст­рукция эксцентричного расширителя (рис. 4.2), предложенного в Краснодарском СУ Промбурвод И. Я. Пархоменко. Расширитель состоит из переходника с замковым соединением для стыковки с бурильной колонной и жестко закрепленной на нем эксцентрич­ной лопасти. Толщина лопасти составляет обычно 12-16 мм при длине 400-800 мм. Ширина лопасти выбирается, чтобы размер вместе с замковым переходником обеспечивал беспрепятствен­ный спуск инструмента в скважину при ее заданном диаметре.

В нижней части лопасти имеется вытянутый вдоль оси сква­жины забурник, предохраняющий инструмент от чрезмерно глу­бокого проникновения в каверну и способствующий центрации расширителя. Промывка осуществляется через специальную трубку, выведенную с противоположной стороны от породораз-

Рис. 4.2. Эксцентричный расширитель Краснодарского СУ Промбурвод:

1 - переходник для соединения с бурильными трубами;

2 - лопасть; 3 - забурник в нижней части лопасти; 4 —

Трубка для промывки

Рушающей лопасти и соединенной с внутрен­ним каналом переходника и бурильных труб.

Расширитель спускают в заданный интер­вал скважины и начинают промывку. Инстру­мент плавно перемещают вдоль обрабатывае­мого интервала. Расширение осуществляют по­этапно. Сначала ствол калибруют при мини­мальной скорости вращения инструмента. По­степенно частоту вращения инструмента увеличивают. С ростом частоты вращения ин­струмента увеличивается интенсивность коле­баний бурильной колонны, возникает биение снаряда. Поэтому частота вращения ин­струмента резко превышает вторую скорость вращения ротора.

Применение эксцентричного расширителя конструкции И. Я. Пархоменко обеспечивает эффективное увеличение диаметра скважины в слабосцементированных породах. При наличии глинистых пропластков в более плотных вяз­ких породах в интервале расширения форми­руется неравномерный, рваный ствол, затруд­няющий доставку гравия на глубокие горизон­ты. В процессе расширения необходимо строго контролировать подачу инструмента, особенно при движении снаряда вниз. При резком спус­ке снаряда с одновременным вращением в слу­чае кавернозности ствола появляется опас­ность попадания забурника на пологий склон каверны и обрыва инструмента. Эффективная сила струи промывочной жидкости исполь­зуется в представленной конструкции только в момент забурки для отклонения инструмента к стенке скважины. При расшире­нии гидромониторная насадка удаляется от стенки скважины и размыва породы не происходит.

Масса лопасти, являющейся эксцентричной относительно оси скважины, мала в сравнении с массой колонны бурильных труб, которые за счет отклонения лопастью к противоположной стенке создают другой эксцентриситет, более существенный. Поэтому в

Реальных условиях при спуске в скважину колонна бурильных труб в интервале продуктивного пласта будет смещаться лопа­стью к стенкам. При вращении снаряда забой каверны формиру­ется лопастью, корпусом переходника и гидродинамической струей промывочной жидкости, истекающей из насадки промы­вочной трубки. Повышенный износ корпуса, который не армиру­ется твердым сплавом, приводит к ускоренному выходу расши­рителя из строя, особенно при работе в абразивных породах.

Для создания каверн в геотехнологических скважинах исполь­зуется эксцентриковый расширитель, состоящий из породораз - рушающей лопасти и полого корпуса, который выполнен в виде концентрично соединенных патрубков различного диаметра [20]. Расширитель снабжен тремя гидромониторными насадками (рис. 4.3). Одна из насадок направлена в сторону, противоположную породоразрушающей лопасти. При спуске инструмента в сква­жину и включении промывки предполагается, что гидродинами­ческая сила струи, вытекающей из этой насадки, будет способст­вовать интенсификации забурки снаряда. На самом деле, расход промывочной жидкости практически одинаков через каждую на­садку и при включении промывки расширитель будет отклонять­ся в сторону, противоположную стороне контакта лопасти с по­родой. Это происходит из-за того, что гидродинамическая сила истечения потока из двух насадок, направленных в сторону по­родоразрушающей лопасти, в 2 раза больше силы, которая спо­собствует забурке лопасти. При вращении снаряда за счет сме­щения бурильной колонны лопастью относительно оси скважины и возникновения центробежных сил он начинает сильнее при­жиматься к стенкам скважины не лопастью, а противоположной стороной снаряда, т. е. корпусом переходника. В этой связи арми­рованная твердым сплавом лопасть не контактирует с породой, а забой подрабатывается корпусом расширителя. Эффективность работ при этом резко снижается. Кроме этого, плоская поверх­ность нижнего торца расширителя исключает возможность очи­стки отстойника от обрушившейся породы, посадки фильтровой колонны в заданный интервал без дополнительного калиброва­ния ствола долотом.

И. А. Сергиенко приводит данные по испытанию эксцентрич­ного расширителя на объектах ПВ, представленные в табл. 4.1, которые следует оценивать лишь как ориентировочные, так как кавернометрия как правило, не обеспечивает замера диаметра ствола более 400 мм, а профилеметрия, применяемая крайне ред­ко, более 800 мм.

При выборе параметров эксцентричных расширителей следует избегать отклонения колонны бурильных труб от оси скважины

И создания эксцентричной массы, способствующей не забурке лопасти при вращении, а наоборот, ее отклонению от забоя. Ав­тором предложено использовать эксцентричный расширитель, ширина которого вместе с лопастью и переходником меньше по­ловины диаметра скважины в интервале расширения. В этом случае колонна бурильных труб располагается близко к оси сим­метрии скважины, а эксцентриситет создает лопасть, выполнен­ная из толстостенного металлического листа, армированного твердым сплавом. Гидромониторная насадка в конструкции вы­водится в сторону, противоположную породоразрушающей лопа­сти или вниз на забой.

При промывке колонна бурильных труб за счет гидродинами­ческих сил смещается в центральные сечения скважины, а ло­пасть прижимается к стенкам скважины. Лопасть забуривается при передаче вращения на инструмент.

При использовании старого снаряда бурильных труб, когда расширитель спускают, колонна может не занять центрального положения, а сместиться к стенкам скважины. Силы гидродина­мического давления при ограниченной мощности насосного обо­рудования недостаточны для забурки инструмента. В этих усло­виях рекомендуется использовать конструкцию эксцентричного расширителя с одним или двумя отклонителями. Необходимым условием работы инструмента считается различие масс отклони - телей и породоразрушающей лопасти. Масса породоразрушаю - щей лопасти должна существенно превышать массу отклоните - лей (рис. 4.4). Наличие отклонителей гарантирует фиксирован­ную установку бурильных труб в скважине, создание требуемого эксцентриситета, надежную забурку и эффективную работу ин­струмента. Отклонители могут быть различной формы.

При необходимости промывки ствола в интервале отстойника вращение прекращают и снаряд при работе насоса доводят до заданной отметки, соответствующей глубине установки башмака фильтровой колонны. Размыв песчаной пробки осуществляется через нижнюю гидромониторную насадку.

При обеспечении центрации бурильной колонны, вывода рас­ширителя в рабочее положение и прецессионного движения ин-

Струмента из-за закручивания труб в обычных конструкциях расширителей, глубина внедрения лопасти в породу на каждом цикле расширения резко уменьшается. При определенных усло­виях инструмент может скользить по забою без видимого вне­дрения лопасти в породу. При этом эффективность увеличения диаметра скважины снижается. Динамика закручивания эксцен­тричного расширителя в скважине при снижении величины вне­дрения лопасти в породу с учетом баланса действующих сил, показана на рис. 4.5. Механизм закручивания расширителя в

Рис. 4.5. Динамика закручивания эксцентричного расширителя:

А - закручивание снаряда; б - прижатие корпуса; в - забурка лопасти; г - рас­ширение

Скважине подтвержден работами М. Е. Грабовского, проводившего эксперименты на скважинах путем сопоставления характера из­носа поверхности корпуса расширителя.

С целью интенсификации внедрения породоразрушающей ло­пасти предложено выводить гидромониторную насадку перпен­дикулярно поверхности лопасти со стороны, противоположной поверхности контакта с породой. Под действием реактивной си­лы струи промывочной жидкости лопасть режущей поверхностью прижимается к забою и внедряется в породу.

Рассмотрим механизм работы эксцентричного расширителя. Дифференциальное уравнение поворота лопасти при забурке расширителя относительно его центра масс имеет вид

J ~~a=Y М, J dt2 ^

Где J - момент инерции расширителя относительно точки 0'; D2A/Dt2 - ускорение вращения; ZM - сумма моментов сил, дей­ствующих на лопасть относительно точки 0'.

С началом вращения бурильной колонны на расширитель действует крутящий момент Т; сила струи промывочной жидко­сти, ^стр; Кт, Кп - тангенциальная и нормальная составляющие реакции забоя; Ft, Fn - тангенциальная и нормальная составляю­щие силы инерции.

Для равномерного установившегося разрушения породы уско­рение вращения расширителя D2A/Dt2 = 0. С учетом этого усло­вия сумма моментов, действующих на лопасть сил, равна нулю. Относительно крутящего момента Т с учетом D 2a/dt = 0 выра­жение (4.1) запишем

D - d

T = Ftp d + R

Тр 2 т

, d D - d

H„ +--- 1------- cos a

Л 2 2

D - d

Arctg

, d D - d

H„ +--- 1------- cos a

Л 2 2

Где Ftp - сила трения корпуса расширителя о породу, D - диа­метр корпуса расширителя, D - диаметр пилот-скважины, Ал - ширина лопасти, a - угол закручивания расширителя.

Крутящий момент можно определить из следующей зависи­мости:

= JPGa ; 57,3!'

JР = 32(d[3] - DB4H),

Где Jp - полярный момент инерции, dBH - внутренний диаметр труб, G - модуль упругости второго рода для стали, равный 8-1010 Па, L - глубина скважины.

Сила трения может быть выражена через реакцию забоя R и коэффициент трения F

F-р = Rf. (4.4)

Коэффициент трения лопасти с песком обычно составляет 0,1.

Основная энергия затрачивается на преодоление сопротивле­ния внедрению резцов и на преодоление сил трения их о забой.

Тангенциальная составляющая силы сопротивления

Rт = 2Af[P]S, (4.5)

Где A - коэффициент, учитывающий зависимость механической скорости расширения от вдавливающего усилия долота в породу (A = 0,03^1); [P] - предел прочности пород, S - площадь контак­та лопасти с породой.

Остаточный угол закручивания инструмента a определяется из формулы (4.2) и при а = 0,03 близок к нулю, что свидетель­ствует о завершении забурки лопасти.

При работе расширитель передает на забой осевую нагрузку

Poc = A[P^]S. (4.6)

Площадь контакта лопасти с породой

Где Д - ширина пластин твердого сплава.

Сила сопротивления породы внедрению лопасти, приложен­ная к режущей грани при осевом перемещении расширителя

[Rh] = 2/ГрРоо. (4.8)

Дифференциальное уравнение (4.1) с учетом действия сил со­противления породы внедрению лопасти [Rh] и силы струи жид­кости Fip имеет сложный вид. Целесообразно решать уравнение (4.2) для конкретных условий проведения работ. В качестве примера приведем результаты расчетов для скважины глубиной L = 100 м, ширине пластин твердого сплава Д = 5-10 3 м, а = 1,0, площади контакта S = 10 3 м, коэффициенте трения F = 0,1; [Рпр] = 105^106 Па, силе прижатия R = 400 Н, полярном моменте
инерции Jp = 4,2-10 м, диаметре труб D = 0,089 м, ширине лопа­сти кл = 0,05 м, диаметре пилот-ствола D = 0,3 м.

Если a = 0, что характерно для устойчивого режима разруше­ния породы, то можно найти угол закручивания инструмента от силы гидродинамического воздействия струи.

Для обеспечения удовлетворительной забурки инструмента в породу угол закручивания лопасти должен быть минимальным. Как следует из приведенных данных, требуемая сила гидродина­мического давления струи в приемлемых условиях изменяется в незначительных пределах, что упрощает определение требуемого расхода промывочной жидкости через сопло.

Расход жидкости через сопло для создания необходимой силы давления струи

Q = 1000 , (4.9)

Где d0 - диаметр сопла.

" D0 = 0,01 м и рв ниже:

Q л/с......................... 4,78 4,71 4,66 4,5 4,16 3,76

A, градус.................... 1 2 3 5 10 15

F^, Н......................... 291,3 283,1 275,1 258,6 220,7 179,9

При нескольких насадках, используемых в расширителе, рас­ход промывочной жидкости должен увеличиваться пропорцио­нально числу насадок.

Автором разработан эксцентричный расширитель (рис. 4.6), обеспечивающий эффективное прижатие лопасти к породе за счет вывода струи потока промывочной жидкости на лопасть со стороны, противоположной поверхности контакта с забоем. Рас­ширитель состоит из полого вала 1 и установленного на нем по­средством шлицевого соединения корпуса 2, к которому жестко прикреплена породоразрушающая лопасть 3. Режущие поверхно­сти лопасти А, В и С армированы твердым сплавом. Верхний торец вала 1 через муфту 4 соединен с бурильной колонной, а нижний - с долотом 5. Пружины 6 и 7 подпирают корпус 2 с нижнего и верхнего торцов. В корпусе 2 выполнены три промы­вочных канала, смещенные по вертикали. Средний канал сооб­щается с гидромониторной насадкой 8, выведенной на породо - разрушающую лопасть 3. Два крайних канала, выполненные в корпусе 2, имеют гидравлическую связь с насадками 9 и 10, вы­веденными со стороны противоположной направлению лопасти. Каналы 11 и 12, выполненные в валу 1, при продольном переме­щении корпуса 2 относительно вала 1 распределяют поток про-

Мывочной жидкости между гидромониторными насадками 8, 9 и 10, размещенными на выходах из каналов в корпусе 2, 13, 14 и 15 соответственно.

Эксцентричный расширитель в транспортном положении спускают в скважину и устанавливают в интервале продуктив­ного пласта. Начинают промывку, в процессе которой промывоч­ная жидкость по бурильным трубам поступает в полость вала 1 и из гидромониторных насадок 9 и 10 нагнетается в кольцевое про­странство скважины. Возникающая при этом реактивная сила струи отклоняет расширитель, прижимая рабочую грань А поро - доразрушающей лопасти 3 к забою.

При вращении инструмента за счет центробежных и гидроди­намических сил расширитель забуривается в заданном интервале, формируя уступ для режущих граней лопасти В и С. При при­ложении к расширителю осевой нагрузки пружины 6 или 7 сжи­маются и корпус 2 с породоразрушающей лопастью 3 смещается относительно штока 1. При этом поток промывочной жидкости, нагнетаемый в скважину, перераспределяется между насадками. Если в момент забурки важно было вывести инструмент в рабо­чее положение и прижать лопасть к забою реактивной силой струи, истекающей из насадок 9 и 10, то при передаче вращения и расширении целесообразно предотвратить излишнее закручи­вание снаряда выводом струи на боковую поверхность лопасти в насадку 8. В случае сжатия пружины поток из насадок 9 и 10 Перераспределяется в насадку 5, что способствует устойчивому режиму разрушения породы.

В промежуточном положении корпуса относительно штока могут работать все три насадки. Если пружины не сжаты, то ра­ботают насадки, способствующие отклонению колонны от оси и забурке инструмента. Когда одна из пружин (в зависимости от направления перемещения инструмента вдоль продуктивного интервала) сжата полностью, то работает только насадка, способ­ствующая увеличению углубки за счет снижения угла закручи­вания инструмента.

При установленной скорости осевой подачи расширителя из­менение давления на насосе свидетельствует об изменении фи­зико-механических свойств разрушаемых пород. С переходом в более твердые породы вертикальная сила на породоразрушаю - щую лопасть увеличивается, возрастает расход промывочной жидкости через насадку в лопасти, что способствует росту силы прижатия расширителя к забою и сохранению диаметра расши­рения. Переход в более мягкие породы увеличивает поток про­мывочной жидкости, истекающей из насадок в корпусе, снижает расход через насадку в лопасти и поддерживает постоянный диаметр каверны.

Наличие пружин в конструкции расширителя, выполняющих функцию амортизаторов, способствует снижению вибрации и колебаний инструмента. Поэтому представленная конструкция расширителя может использоваться при повышенных частотах вращения инструмента для создания каверн большого диаметра.

При большой глубине скважины или при использовании бу­рильной колонны малого диаметра инструмент на забое закручи­вается и для его распрямления силы гидродинамического давле­ния струи бывает недостаточно. Для таких условий Русбурмаш рекомендует комплектовать корпус расширителя двумя лопастя­ми (рис. 4.7), одна из которых выполняет функцию эксцентриси­тета, а другая - разрушения породы.

Для неоднородных разрезов полного контакта лопасти расши­рителя с породой обеспечить сложно. С целью повышения про­изводительности расширения предложен расширитель, корпус которого снабжен шарошечными породоразрушающими органами

(рис. 4.8). При вращении шарошечные породоразрушающие ор­ганы 8, 11, установленные на корпусе 9, перекатываются по за­бою, равномерно увеличивая диаметр скважины. Корпус расши-

Рис. 4.9. Шарошечный эксцентричный расширитель:

1 - корпус; 2 - опора; 3 - шарошка; 4 - насадка; 5 Долото

5

Рителя снабжен двумя стабилизирующими лопастями 3 и 5. Од­на стабилизирующая лопасть предназначена для вывода струи промывочной жидкости и создания дополнительного реактивного усилия на забой.

С увеличением длины лопасти увеличивается момент реак­тивных сил струи, истекающей из насадки 2. Верхняя стабилизи­рующая лопасть 5 предназначена для центрации инструмента в скважине, исключения попадания инструмента в каверны, воз­никновения биения и вибрации снаряда. Породоразрушающие органы установлены на шестигранном полом штоке 4 с целью возможности передачи на них вращения от бурильной колонны. В нижней части расширителя монтируется долото 12, а в верх­ней части находится переходник 6 для соединения с бурильными трубами.

Для расширения скважин в относительно крепких породах, при наличии твердых пропластков, разработан шарошечный экс­центричный расширитель РШ (рис. 4.9). В качестве породораз - рушающего органа в расширителе используется шарошка. Одно­временно шарошка и опора, закрепляющая ее на корпусе, выпол­няют функцию эксцентрика. Инструмент РШ приспособлен для расширения как снизу вверх, так и сверху вниз, в зависимости от используемой технологии.

Д. А. Петросовым в ЗАО «Русбурмаш» разработана конструк­ция эксцентричного расширителя для скважин на воду и под­земного выщелачивания.

На рис. 4.10 приведена схема эксцентричного скважинного расширителя с рабочим органом и стабилизатором устойчивости.

Гидромеханический расширитель представляет систему рабо­чих скоб, армированных восьмигранниками твердого сплава ВК-8.

Такая система крепления скоб раз­личного размера должна обеспечить более приемлемую конфигурацию зо­ны расширения для укладки гравия.

Конструкция расширителя доста­точно проста; расширитель может быть изготовлен в мастерских комби­ната, без использования каких-либо до­рогостоящих материалов и устройств.

Эффективная работа эксцентрично­го расширителя обеспечивается в спе­циальный компоновке со стабилизато­ром, выполняющим функцию центра - ции инструмента в скважине. Рас­стояние от центратора до рабочего органа рассчитывают по специальной методике, исходя из конструкции скважины, требуемого диаметра и ин­тервала расширения с учетом возмож­ных режимов вращения инструмента и промывки. Типовая компоновка пред­ставлена на рис. 4.11.

Д. А. Петросовым и сотрудниками ЗАО «Русбурмаш» разработан расши­ритель комбинированного действия, приводящийся в действие давлением промывочной жидкости и прижимаю­щийся рабочими органами к стенкам скважины за счет эксцентриситета инструмента и обусловленных этим действием инерционных сил. Наличие одной выдвижной массивной лопасти обеспечивает высокую надежность конструк­ции и простоту использования (рис. 4.12, 4.13).

В предварительно пробуренную скважину опускают расшири­тель до кровли продуктивного пласта. При спуске в скважину, рабочая лопасть 9 находится в закрытом (транспортном) поло-

Промывочная жидкость по бурильным трубам поступает в корпус расширителя 1 и воздействует на поршень 7. Поршень 7 Идет вниз, сжимая возвратную пружину 3, и посредством толка­теля поршня 13, воздействуя на эксцентрик рабочей лопасти 10,

Выдвигает ее в рабочее положение. При приведении лопасти расширителя в рабочее положение открываются промывочные каналы 5. Резко падает давление в нагнетательной магистрали. Инструменту передается вращение и осевая нагрузка.

Осуществляют подачу расширителя вдоль интервала расши­рения, увеличивая тем самым диаметр пилот-скважины до рас­четного диаметра. При достижении расширителем границы ин­тервала расширения промывку выключают. Под действием воз­вратной пружины 3 и силы тяжести поршень 7 с толкателем поршня 13 приводятся в исходное положение. Рабочая лопасть
расширителя 9 приводится в транспортное положение, упираясь в нерасширенный интервал или башмак технической колонны при подъеме инструмента.