Разработка технологии и конструкции съемного отклоняющего комплекса для бурения геолого-разведочных скважин снарядами со съемными керноприемниками

На сегодня в геолого-разведочном бурении наиболее распространены снаряды со съемными керноприемниками (ССК). При бурении геолого-разведочных скважин снарядами ССК возникают ситуации, когда при необходимости корректировки буровой скважины нет подходящих технических средств, которые удовлетворяли бы допустимой интенсивности набора кривизны из условий прочности бурильной колонны. Из отечественных самое подходящее техническое средство для изменения направления буровой скважины — это забойный комплекс «КЕДР-76». Комплекс «КЕДР-76» обеспечивает реализацию требуемой интенсивности искривления в диапазоне 0,2—1,5 град/м. Данный диапазон подойдет только для снаряда типа NQ, его диапазон составляет 0,16—0,24 град/м. К недостаткам можно отнести сложность доставки, так как данный отклонитель делают только под заказ [3].

Из современных технических средств для изменения направления скважины стоит отметить снаряд направленного бурения для ССК компании Devico. Данный снаряд способен изменять скважину в пространстве в процессе бурения и одновременно отбирать керн диаметром 31,5 мм. Снаряд может применяться с серийным снарядом типа NQ. Данный снаряд обеспечивает интенсивность искривления 0,3 град/м. Принцип работы устройства Devidrill заключается в использовании ведущего вала (бурильной колонны), проходящего через эсцентриковую втулку (см. рис. 1), смещенную от центральной оси устройства, что обеспечивает изгиб колонкового набора под действием осевого усилия и перекос коронки. В верхней части набора на расстоянии 2 м устройство имеет выдвижной ползун, который работает под давлением промывочной жидкости и воздействует на стенку скважины. Ползун выдвигается за пределы поверхности колонкового набора и, упираясь в стенку скважины с определённым усилием, фиксирует плоскость изгиба колонкового набора.

Внутренние составляющие снаряда включают в себя средства ориентирования отклонителя, съемный керноприемник, систему переводников, трубу с инструментом для инклинометрии, который фиксирует данные с последующей их передачей на компьютер. Информация записывается внутри устройства и загружается на компьютер после каждого рейса. Основным недостатком отклонителя типа DeviDrill является необходимость подъема всей бурильной колонны для замены стандартного колонкового набора на специальный колонковый набор с отклонителем. Это дает возможность проводить искривление с отбором керна (меньшего диаметра), но резко ограничивает возможности оперативного корректирования направления ствола скважины при естественном ее искривлении. Также стоит отметить, что компания Devico не продает данный снаряд, а лишь оказывает услуги по бурению геолого-разведочных скважин [2].

Исходя из вышеперечисленного понятно, что геолого-разведочное бурение нуждается в оперативной корректировке направления ствола скважины без подъема бурильной колонны. Также интенсивность искривления таким отклонителем не должна превышать допустимые значения интенсивности искривления по условию прочности бурильной колонны (табл. 1).

В поисках решения данной проблемы появилась идея создания съемных отклоняющих комплексов. Разработки съемных отклоняющих комплексов начались еще в Советском Союзе. Уже тогда была надобность в оперативной корректировке направления скважины. Данные отклонители призваны сократить затраты времени на спускоподъемные операции, при проведении работ по искусственному искривлению скважин.

В 1982 году был предложен способ направленного бурения скважин. Принцип работы таких устройств заключается в спуске отклонителя в скважину за место керноприемника, отбуривании интервала искривления, поднятии отклонителя на поверхность, спуске керноприемника и продолжении бурения [6].

В 1984 году было предложено устройство для изменения направления буровой скважины. Цель изобретения — повышение надежности в работе. Устройство для направленного бурения скважин включало колонковую трубу с коронкой, свободно расположенный в ее полости узел отклонения, состоящий из верхней полумуфты с выступом и нижней полумуфты с наклонным пазом для его размещения, жестко связанный с нижней полумуфтой направляющий шток с фиксирующим элементом и средство центрирования верхней полумуфты. Недостатком данного отклонителя является сложность конструкции, что вызывает его низкую надежность и работоспособность [5].

На основе двух вышеперечисленных способов и устройства был разработан съемный отклоняющий комплекс «Рейс 59» [1]. Он предназначен для искусственного искривления геолого-разведочных скважин, буримых ССК-59, глубиной до 1200 метров, в монолитных и слабо трещиноватых породах VI—X категории по буримости без нарушения общей технологической схемы работы ССК, так как спуск «Рейс-59» в скважину и извлечение из нее осуществляются через внутренний канал бурильных труб без их подъема на поверхность. К недостаткам данного съемного отклонителя можно отнести то, что при его работе на забой устанавливается деревянная пробка, которая по завершении процесса искривления скважины остается на забое. Также стоит отметить, что данная конструкция подходит только для снаряда ССК-59 [1].

В связи с недостатками вышеперечисленных отклонителей предлагается устройство для направленного бурения скважин, включающее отклонитель с ориентирующим устройством и корпус с механизмом блокирования устройства внутри колонны бурильных труб с коронкой. Данный снаряд позволит оперативно производить корректировку направления скважины путем исключения спускоподъемных операций.

Устройство выполнено в виде подпружиненного штока с возможностью продольного перемещения на длину штока внутри корпуса отклонителя, при этом внешний диаметр штока не превышает внутреннего диаметра коронки, а корпус отклонителя соединен с корпусом механизма блокирования с помощью шарнира, обеспечивая возможность отклонения штока в одной заданной плоскости. На нижнем конце штока выполнен профильный башмак, профиль которого имеет скос торца, при этом направление скоса торца противоположно направлению отклонения штока, а на штоке над шарниром установлена втулка с возможностью продольного скольжения по штоку, при этом наружная форма втулки соответствует внутренней форме коронки. Длина штока находится по формуле:

L_ω = N / sin(β),

где β — угол отклонения штока, град; N — расстояние от нижнего конца штока до осевой линии съемного отклонителя.

Данное устройство будет разрабатываться под каждый тип снаряда со съемным керноприемником исходя из допустимых значений интенсивности по условию прочностных свойств бурильной колонны (табл. 1).

Съемный снаряд направленного бурения имеет скос (рис. 2), на торце которого имеются резцы 10. Над штоком установлен шарнир 5, который фиксирует угол отклонения штока 4. Шток 4 закреплен в корпусе отклоняющего модуля 3. Также имеется фиксирующая втулка 6, которая повторяет внутреннюю форму коронки 13, за счет этого плотно прилегает к ней и отклонитель надежно зафиксирован в колонне бурильных труб 12, также втулка 6 снижает вибрации штока 4. В фиксирующую втулку 6 впрессована металлическая резьба 11 для соединения с корпусом 3, также во втулке 6 имеются промывочные каналы 9, общая площадь которых примерно равна зазору между керноприемной тубой (не показана на чертеже) и колонной бурильных труб 12, ориентатор 1 и механизм блокирования 2.Отклоняющий модуль включает в себя направляющий шток 4 с профильным башмаком 8.

Устройство работает следующим образом (рис. 3). Перед началом работ устройство ориентируют на поверхности, поднимают керноприемник (не показан на чертеже) из колонны бурильных труб 12, колонну приподнимают на длину штока 4 и отклонитель на забой, за счет ориентатора 1 устройство само ориентируется под действием сил тяжести. С помощью механизма блокирования 2 устройство для направленного бурения скважин закрепляется в колонне бурильных труб 12. Шток 4 может отклонятся относительно шарнира 5, что позволяет установить отклонитель на самый край пенька. Фиксирующая втулка 6 повторяет внутреннюю форму коронки 13, за счет этого плотно прилегает к ней и отклонитель зафиксирован в колонне бурильных труб 12. Также втулка 6 снижает вибрации штока 4. После установки под действием осевой нагрузки и скоса на башмаке 8 (рис. 4) шток 4 отклоняется в одной плоскости, за счет шарнира 5 угол перекоса штока 4 фиксируется. Резцы 10 врезаются в породу, за счет этого происходит фиксация штока 4 на забое. По мере фрезерования стенки скважины и углубления шток 4 под действием осевого усилия заезжает внутрь отклонителя, сжимая пружину 7. При отбуривании интервала, равного длине штока 4, при необходимости набора большего угла отклонения необходимо повторить вышеперечисленные операции. После проведения работ по корректировке направления скважины устройство извлекают из колонны бурильных труб без подъема колонны, спускают керноприемник и продолжают бурение.

В дальнейшем планируется модернизация профильного башмака под разные типы забоев, также возможен отказ от искривленного направляющего штока с целью повышения его прочностных свойств.

Данное решение позволит сократить затраты времени на спускоподъемные операции, а также понизит себестоимость одного метра бурения.

Для обоснования экономической эффективности были произведены расчеты для трех отклонителей исходя из затрат времени на спускоподъемные операции [4]. Стоимость метра бурения для отклонителя непрерывного действия рассчитана по формуле (1):

(1)

где C_st — стоимость станкосмены, тыс. руб.; Т — время станкосмены, час; Н — глубина скважины; К — время, затрачиваемое на спуск 1 м колонны; l_r — длина рейса; S — время, затрачиваемое наориентацию отклонителя; n — число проработок интервала искривления; v_m — механическая скорость бурения; l_p — длина участка искривления / проработки.

Для устройства Devidrill формула будет иметь следующий вид:

(2)

Так как снаряд направленного бурения компании Devico разработан для ССК, ему не требуется проработка интервала искривления, но перед бурением необходимо заменить нижнюю часть компоновки.

Расчет экономической эффективности предлагаемого устройства был выполнен по формуле (3):

(3)

где С — время на спуск 1 метра троса съемного снаряда направленного бурения.

Для визуализации и удобства сравнения были построены графики зависимости стоимости метра бурения от глубины бурения (рис. 5).

Из всего этого можно сделать вывод, что использование отклонителей непрерывного действия нецелесообразно для корректировки направления скважины, так как повышается время, требуемое для проходки скважины. Использование предлагаемого устройства позволит существенно сократить это время.