Роторные управляемые системы ведущих компаний

 

 

2.2.1 Управляемая система DART компании Андергейдж

Роторная система кривления DART (рисунок 2.3) (Downhole Adjustable

Rotary Tool) представляет собой 100% механический инструмент для бурения

скважин по плавным кривым траекториям с постоянной интенсивностью изме-

нения угла [16]. Кривление по принципу трёхточечной стабилизации обеспечи-

вается путём приложения постоянного бокового усилия от несоосного стацио-

нарного стабилизатора к долоту.

 

 

46

 

В процессе бурения ориентация торца инструмента поддерживается нев-

ращающимся масс - эксцентриком, который за счёт силы тяжести постоянно на-

ходится в подвешенном состоянии. Изменение ориентации торца инструмента

производится при отрыве долота от забоя при выключенных насосах и, в сред-

нем, занимает не более 3 минут.

 

Механизм

ориентации торца

 

 

Сердечник

 

 

Невращающийся

 

 

Соосный

 

 

Несоосный

 

 

Скребок

 

 

Долото

масс-эксцентрик

стабилизатор

стабилизатор

 

 

Рисунок 2.3 – Система кривления DART

 

 

Система DART включает следующие элементы и устройства:

1) сердечник, проходящий сквозь инструмент для передачи крутящего

момента и вращения долота; используется как часть механизма изменения ори-

ентации торца;

2) скребок, который является частью сердечника и вращается вместе с

ним. Диаметр скребка меньше диаметра долота, и обычно скребок не касается

стенок ствола. Он предназначен для удаления всех уступов, образующихся в

процессе бурения и способных затруднить продвижение невращающихся ста-

билизаторов (соосного и несоосного);

3) несоосный (управляющий) стабилизатор – невращающийся, полнораз-

мерный, немного смещённый по отношению к оси сердечника. Это смещение

создаёт боковое усилие на долото, позволяющее управлять траекторией ствола

в трёх измерениях;

4) соосный стабилизатор – концентрический, также невращающийся, соз-

даёт третью точку опоры для реализации трёхточечной стабилизации, которая

необходима для точного и предсказуемого управления компоновкой с помо-

щью системы DART. Также этот стабилизатор принимает на себя вес масс-

эксцентрика.

На рисунке 2.4 показан пример принципа действия системы: несоосный

стабилизатор передаёт на долото боковое усилие, которое направляет торец ин-

струмента на 45 градусов вправо от точки зенита. Таким образом, бурение осу-

ществляется именно по этому вектору.

 

 

47

 

Рисунок 2.4 – Принцип действия системы

 

Для изменения ориентации торца выполняют следующие действия: отры-

вают долото от забоя и прекращают вращения колонны; останавливают насосы;

вращают бурильную колонну на количество щелчков ротора, необходимое для

установки новой ориентации торца (каждый щелчок ротора смещает вектор бу-

рения вправо на 2,25 град.); прекращают вращение по достижении заданной

ориентации торца; запускают насосы и начинают циркуляцию с обычным рас-

ходом; продолжают бурение скважины.

Если при остановке насосов бурильную колонну не вращают ротором, то

ориентация торца останется неизменной.

При необходимости ориентации торца по точке зенита выполняют сле-

дующее: отрывают от забоя и прекращают вращения колонны; останавливают

насосы; вращают колонну на более чем 180 градусов. Каждый щелчок ротора

смещает ориентацию торца системы на 2,25 градуса по часовой стрелке. Ко-

лонну вращают ротором до тех пор, пока торец не будет направлен на точку зе-

нита. Вращение колонны на более чем 180 градусов гарантированно доведёт

ориентацию торца до точки зенита, вне зависимости от первоначальной ориен-

тации. После этого привод механизма ориентации торца отключается, и торец

остаётся ориентированным по точке зенита. Дальнейшее вращение колонны не

может повлиять на ориентацию торца.

Порядок действий для установки нового вектора бурения после ориента-

ции торца по точке зенита: прекращают вращение ротором; совершают рабочий

цикл насосов (т. е. запускают насосы, доводят подачу раствора до обычного для

бурения уровня, поддерживают циркуляцию в течение 20 секунд, затем снова

 

 

48

 

останавливают насосы). Эта процедура вновь включает привод механизма ори-

ентации системы, и дальнейшая ориентация торца производится в обычном ре-

жиме посредством вращения колонны на требуемое количество оборотов.

Бурение прямолинейно-наклонных участков с применением системы

DART производится путём поочередной ориентации торца в противоположных

направлениях. Поскольку изменение ориентации торца при помощи системы

DART производится легко и быстро, эта процедура не приводит к увеличению

времени бурения и позволяет получить прямой ствол скважины.

Технические характеристики системы DART приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Технические характеристики системы DART

 

 

В таблице 2.3 приведено сравнение результатов бурения двух контроль-

ных стволов скважин диаметром 155,6 мм компоновкой с забойным двигателем

и ствола, пробуренного с применением системы DART на Ближнем Востоке.

 

Таблица 2.3 – Сравнение результатов бурения

 

 

49

Характеристика Значение Диаметр инструмента, мм 120,6 для бурения скважин 149,2-171,5 мм Длина, м 8,23, включая наддолотный и первый колонный калибратор Интенсивность набора угла, град./30 м 0 3 /30 м (возможна регулировка под мень- шую интенсивность) Объём подачи раствора, л/с 9,5-18,9 Внутренний диаметр, мм 28,57 0 Максимальная температура, С 150 Максимальная осевая нагрузка, кН 13,6 Максимальная скорость вращения, об./мин. 220 Максимально допустимая интенсивность искривления, град./30 м 25 град./30 м (без вращения)

Скважина Длина по стволу от - до, м Проходка, м Время бурения, ч Средняя скорость проходки, м / ч Контрольная скважина, участок 1 1747-4303 2556 152,25 16,7 Контрольная скважина, участок 2 1752-4255 2503 113,75 20,5 Секция DART 1727-4220 2493 61,25 40,7

 

Сравнение результатов бурения двух контрольных стволов диаметром

155,6 мм при помощи управляемых компоновок с забойным двигателем и ствола,

пробуренного с применением системы DART, показывает, что скорость проходки

увеличена вдвое по сравнению с контрольными скважинами. Все участки пробу-

рены по идентичным породам на одинаковой глубине. Во всех компоновках,

включая систему DART, использовались конические шарошечные долота.

 

 

2.2.2 Роторные управляемые системы Geo-Pilot и EZ-Pilot

компании Sperry-Sun

В управляемой роторной системе Geo-Pilot (рис. 2.5) используется управ-

ляемый отклонитель, состоящий из цельного вала, расположенного между до-

лотом и верхней частью инструмента [26].

 

 

Рисунок 2.5 – Управляемая система вращательного бурения Geo-Pilot

 

 

Выполненный из нержавеющей высокопрочной стали вал имеет внутрен-

ний канал для прохода бурового раствора. Компактный и прочный отклоняю-

щий узел, размещённый внутри невращающейся верхней части корпуса, пере-

 

50

 

даёт контролируемое отклонение на вал через два вращающихся эксцентрико-

вых кольца. Связь с эксцентриковыми кольцами сверху и снизу осуществляется

с помощью двух систем привода.

В результате действия одного или обеих систем привода кольца повора-

чиваются вместе или по отдельности и отводят вал в сторону по осевой линии

корпуса, заставляя вал искривляться и ориентировать долото в направлении за-

данного угла установки отклонителя. Специально сконструированные вра-

щающиеся уплотнения внутри корпуса не позволяют буровому раствору попа-

дать внутрь системы, а смазочной жидкости вытекать наружу.

Секция вала, проходящая через корпус, опирается на верхний подшипник

фиксированного конца, подшипник радиальной опоры и нижний плавающий

подшипник. Когда эксцентриковые кольца изгибают вал, то вал изгибается ме-

жду верхним подшипником фиксированного конца, который не даёт валу изги-

баться выше себя и нижним плавающим подшипником, который позволяет до-

лоту отклоняться в любом заданном направлении и свободно вращаться. Так

как основная нагрузка на долото передаётся через корпус, то благодаря этому

вал можно сделать более тонким и управляемым.

Чтобы обеспечить максимальный срок службы и надёжность системы

Geo-Pilot, подшипники уплотнения и другие внутренние движущиеся детали

погружены в смазочное масло. А так как оборудование работает изолированно

от промывочной жидкости, то проблемы совместимости с буровым раствором

практически отсутствует.

Расположенный в верхней части компоновки компактный прочный ком-

пьютеризированный блок осуществляет контроль за отклонением вала. Это по-

зволяет непрерывно управлять направлением движения долота. Таким образом,

в самой скважине становится возможным регулирование направления бурения

и желательного темпа набора кривизны.

Усовершенствованные датчики с питанием от долговечной внутренней

батареи отслеживают положение долота, скорость вращения колонны и внут-

ренние параметры оборудования.

Типичная компоновка для бурения с системой Geo-Pilot приведена на ри-

сунке 2.6 а.

Система предназначена для использования с алмазным долотом с расши-

ренной калибровочной частью.

Ещё одной разработкой Sperry-Sun является система EZ-Pilot. Компонов-

ка с системой EZ-Pilot приведена на рисунке 2.6 б.

 

 

51

 

 

Интерфейс

системы сбора

данных в процессе

бурения (MWD)

 

Спиральный

стабилизатор

 

 

Поправочный

стабилизатор

 

Невращающийся

кожух

 

 

Устройство

для изменения

угла наклона

 

 

а)

 

Корпусное долото

с расширенной

 

б)

калибровочной

частью

 

Рисунок 2.6 – Роторные управляемые системы компании Sperry-Sun:

а – компоновка управляемой системы вращательного бурения Geo-Pilot;

б – компоновка с РУС компании Sperry-Sun

 

 

Система EZ-Pilot – это оборудованный аппаратурой, наддолотный стаби-

лизатор, состоящий из трёх основных элементов, включая вращающуюся манд-

рель, эксцентриковую внутреннюю втулку и утяжелённый невращающийся на-

ружный корпус.

Технические характеристики системы EZ-Pilot приведены в таблице 2.4.

 

52

 

 

Таблица 2.4 – Технические характеристики системы EZ-Pilot

 

 

Инструмент работает (рис. 2.1), контролируя направление эксцентрика

внутренней втулки, которая смещает мандрель и, соответственно, долото в за-

данном направлении.

 

53

Характеристика Система 850 Система 1225 Номинальный наружный диаметр инструмента, мм 171 203 Диаметр ствола скважины, мм 212,7-250,8 304,8-374,7 Максимальный наружный диаметр наружного корпуса, мм 205,7 279,4 Длина, м 3,69 м 3,57 Номинальный вес инструмента (в воздухе), кг 816,4 952,5 Проектная интенсивность искривления при зарезке из вертикального участка, град./30 м 8 8 Максимальная интенсивность искривления во время проработки, град/30 м 10 10 Максимальный крутящий момент на валу, кН*м 18,7 66,5 Интервал скоростей вращения (об./мин.) 30-280 30-280 Максимальная расход (л/с) 88 88 Максимальная нагрузка на долото, кН 200 400 Вибрация Согласно спецификациям LWD Sperry Тип бурового раствора Совместим с большинством буровых растворов; успешно используется с буровыми растворами на водной, углеводородной основе, синтетической основе и силикатными буровыми растворами Максимальное содержание песка, % по объёму 3 3 Номинальная рабочая температура, °С 150 125 Номинальное рабочее давление, кПа 138 124 Линия связи Sperry DWD (инклинометрия в процессе бурения) Точность и интервал изменения зенитного угла ± 0,1°; интервал изменения угла 0-110° ± 0,1°; интервал изменения угла 0-110° Место установки датчика измерения углов (средняя), м 8,54 8,54 Место установки наддолотного датчика ABI™, м 2,29 1,74 Источник питания Литиевые батареи Внутренний диаметр, мм 50,8 50,8

 

Вращение внутренней втулки с целью изменения ориентации тулфейса

(торца бурильного инструмента) выполняется двигателем постоянного тока со

сверхвысоким крутящим моментом, работающего от литиевого аккумулятора.

Расположение наружного корпуса постоянно отслеживается компьютером и

инструмент автоматически поправляет положение эксцентрика внутренней втул-

ки при необходимости сохранения соответствующей ориентации тулфейса.

Заданная координата тулфейса устанавливается посредством простых ко-

манд скорости вращения, направляемых с поверхности в электронный модуль,

установленный в инструменте.

С помощью системы EZ-Pilot можно избежать дополнительных расходов,

связанных с использованием отдельной системы передачи данных.

Инструментом можно осуществлять бурение в любом заданном направ-

лении тулфейса или бурить по прямой. Преимуществом системы EZ-Рilot явля-

ется простота в применении.

 

 

2.2.3 Системы PowerDrive Xtra компании Schlumberger с системой

AutoTrak компании Baker Hughes

Система PowerDrive Xtra компании Schlumberger с системой AutoTrak

компании Baker Hughes представлены на рисунке 2.7 [26].

Системы используют механизмы автоматической ориентации и управля-

ют траекторией скважины путём приложения бокового усилия к долоту. В сис-

темах расширяющийся, не вращающийся стабилизатор обеспечивает статиче-

ское боковое усилие, приложенное к стенке скважины, что вызывает противо-

действующее усилие, приложенное к стабилизатору и долоту. Интенсивность

искривления скважины определяется соотношением объёмов бокового резания

и бурения в прямом направлении. В обеих системах на уровне долота ось вра-

щения долота всегда расположена под углом по отношению к оси скважины.

Величина этого угла определяется геометрией инструмента и радиусом кривиз-

ны скважины.

Основные блоки рассматриваемых РУС выделены на рисунке 2.7.

Интегрированная система MWD замеряет зенитный угол и азимут, вели-

чину вибрации, обеспечивает связь с системой на поверхности.

Скважинный компьютер производит сравнение данных, полученных

системой контроля MWD с проектными характеристиками траектории, затем

передаёт команду на наддолотный блок отклонения для корректировки курса.

Передаёт данные на поверхность, получает команды по корректировке курса.

 

 

54

 

Наддолотный блок отклонения следит за отклонением долота. Произво-

дит передачу данных забойной системе контроля MWD.

 

 

Интегрированная система MWD

 

Скважинный компьютер

 

Наддолотный сенсор

Отклонения

 

а)

 

б)

 

 

Рисунок 2.7 – Роторная система AutoTrak:

а) основные компоненты системы; б) невращающийся расширяющийся стабилизатор

 

 

Использование управляемых роторных систем PowerDrive Xtra для буре-

ния скважин с большими отходами от вертикали позволило компании «Саха-

 

55

 

линморнефтегаз» (СМНГ – дочерняя фирма компании «Роснефть») улучшить

показатели производительности бурения и качество ствола по сравнению со

скважиной, пробуренной по обычной технологии с использованием винтового

забойного двигателя.

Бурение скважин производилось с наземной кустовой площадки, распо-

ложенной на севере острова Сахалин. В соответствии с техническим заданием

горизонтальное смещение точки входа в пласт составляло 4000 м от побережья

острова (рис. 2.8).

При бурении было задействовано 2 типоразмера управляемой роторной

системы PowerDrive Xtra диаметром 228,6 мм и 171,5 мм. Скорость бурения

при бурении под 311,1 мм колонну повысилась на 41%, при этом время на про-

работку и калибровку ствола скважины сократилось на 38%.

 

 

Рисунок 2.8 – Профиль скв. №216 компании «Сахалинморнефтегаз»

 

Использование системы PowerDrive Xtra обеспечило эффективное управ-

ление траекторией и высокую степень очистки ствола скважины, а также сни-

жение момента вращения бурильной колонны. Благодаря применению системы

PowerDrive Xtra удалось добиться значительного уменьшения числа «затяжек»,

что в дальнейшем способствовало успешному спуску обсадной колонны. При

этом затраты времени на ориентированное бурение с винтовым забойным дви-

гателем были полностью исключены.

Непрерывное вращение бурильной колонны позволило добиться сгла-

женной траектории скважины.

 

 

56