3. Ориентаторы гидромеханического типа

Гидромеханический ориентатор ОШГ (ориентатор шариковый гидравлический) для производства работ по направленному бурению горизонтальных скважин показан на рис. 9.20. Диаметр ориентатора 57 мм, погрешность ориентирования ±4º , перепад давления промывочной жидкости 3–5 МПа.

Ориентатор устанавливается непосредственно в бурильную колонну над отклонителем и позволяет при включенном насосе и провороте бурильной колонны добиться нужного положения отклонителя в скважине, ориентируясь на изменение давления промывочной жидкости по показаниям манометра, находящегося на линии нагнетания жидкости в скважину. Сигналом верного ориентирования будет некоторое заданное повышение давления промывочной жидкости в системе «колонна–скважина».

Ориентатор ОШГ включает корпус 1, верхний и нижний переходники 2, поршень 3 с резиновыми уплотнениями и кольцевой проточкой для размещения шарика 4, втулку 5 с продольным пазом, шириной равной диаметру шарика 4, пружину 6, дроссель 7 и шайбу 8 с конусным наконечником.

О риентатор работает следующим образом.

На поверхности производится настройка ориентатора на заданный угол установки отклонителя. С этой целью на корпусе 1 ориентатора напротив паза во втулке 5 сделана метка, которая позволяет установить отклонитель под заданным углом по отношению к ориентатору.

Отклонитель присоединяется к правому переходнику 2, а ориентатор с отклонителем – к колонне бурильных труб левым переходником 2 (рис. 9.20). После спуска в скважину и размещения отклонителя над забоем включается буровой насос, оборудованный манометром. Под давлением жидкости поршень 3 перемещается и сжимает пружину 6.

Перемещение поршня 3 ограничивается шариком 4, который упирается в торец втулки 5. При этом шарик 4 занимает положение в кольцевой проточке поршня 3 и свободно в ней перемещается, что приводит к тому, что шарик 4 занимает под действием силы тяжести самое нижнее положение в корпусе 1 ориентатора. При вращении колонны бурильных труб с ориентатором с периодическим включением и отключением бурового насоса добиваются положения, при котором шарик оказывается напротив паза втулки 5 (рис. 9.19). В этот момент шарик 4 входит в паз втулки 5, поршень 3, не имея ограничения в перемещении, двигается в направлении шайбы 8, а конусный наконечник входит в отверстие поршня 3, но не закрывает отверстие полностью. Соответственно, с уменьшением плошади канала течения жидкости через поршень 3, возрастает давление промывочной жидкости, фиксируемое манометром, что и служит в качестве сигнала об ориентировании отклонителя.

4. Выбор параметров и оценка точности искусственного искривления скважин

Число (n) постановок отклонителя для решения поставленной задачи определяется путем деления требуемого для решения поставленной задачи угла набора кривизны δ на допустимое значение угла набора кривизны за одну постановку – δ_д:

. (9.15)

Выбор значения угла набора кривизны за одну постановку δ_д следует производить с учетом ряда факторов технического и геологического характера.

К фактору технического характера следует отнести тип применяемой бурильной колонны. Известно, что в интервале работы отклонителей могут происходить обрывы бурильной колонны; при этом важной характеристикой для обоснования параметров искусственного искривления является величина допустимой по условиям прочности колонны интенсивности искривления [15,16].

В табл. 9.2 приведены результаты расчетов, полученные для условий резкого локального и плавного искривлений с запасом прочности колонны 1,5 при глубине скважины 1000 м и частоте вращения 700 мин^-1 . Расчеты проведены для наиболее слабого элемента бурильной колонны – резьбового соединения.

Из приведенных данных следует, что существенное влияние на потенциальную аварийность оказывает характер искривления, а именно величина набора угла искривления, и то, как этот угол набора кривизны распределен по интервалу искривления – равномерно или с резкими перегибами.

Таблица 9.2

Допустимые значения интенсивности искривления по условию прочности бурильной колонны

Тип бурильной колонны	Допустимые значения интенсивности искусственного искривления, град/м
ЛБТН-54	0,33–0,5
СБТМ-50	0,4–0,6
СБТМ-54	0,43–0,6
ССК-46	0,33–0,4
ССК-59	0,25–0,3
ССК-76	0,16–0,24

Приведенные в табл. 9.2 значения интенсивности имеют отношение к уже проработанным участкам искривлений. То есть при выполнении работ по искривлению, интенсивность искривления, реализуемая непосредственно отклонителем обычно бывает выше в 2–3, а в ряде случаев и более раз.

На рис. 9.21 приведены графики, отражающие связь величины угла набора кривизны отклонителем с возможным числом обрывов бурильной колонны, вызванных влиянием кривизны ствола скважины. Базовой на рис. 9.20 является первая кривая, полученная на основе обработки данных о результатах искривления скважин с интенсивностью от 0,5–2,0 и более град/м. По этим данным вероятность одного обрыва в интервале искривления становится возможной при δ_д = 3,3^º. Если предположить, что интенсивность искривления не превышает установленных границ (кривые 2 и 3 на рис. 9.21), то очевидно, что вероятность обрыва в интервале искривления будет значительно меньше среднестатистической (кривая 1).

В лияние интенсивности искривления на аварийность с бурильными трубами представ-лено в виде кривой на рис. 9.22, полученной на основе анализа статистических данных. Из них следует, что критической может быть интенсивность искривле-ния, превышающая 1,5 град/м.

При выборе рациональной интенсивности искривления важен и экономический аспект. С учетом затрат на искривление установлено, что минимальная стоимость градуса искривления С₀ (а, значит и совокупные затраты на направленное искусственное искривление) возможны при управляемой реализации искусственного искривления с интенсивностью 1,0–1,4 град/м. При этом более низкая стоимость градуса искривления получена для стальных бурильных труб (СБТ) в сравнении с легкосплавными бурильными трубами (ЛБТ), эксплуатация которых требует более плавного набора кривизны в интервале искусственных искривлений ствола (рис. 9.23).

Графики на рис. 9.23 получены в ценах 1980 г., которые не соответствуют современным и могут рассматриваться как условные. В то же время различие в ценах не изменяет в значительной степени технической сущности рассматриваемой задачи.

Т аким образом, можно считать обоснованным, что при реализации искусственного искривления наиболее приемлемой будет интенсивность искривления в пределах 1,0–1,5 град/м, а угол набора кривизны за один цикл ориентировочно может составить 3–5 градусов.

При этом меньшие значения интенсивности искривления должны соответствовать большим значениям угла набора кривизны за одну постановку отклонителя. Например, задавшись интенсивностью искривления 0,8–1,0 град/м, можно произвести набор угла искривления в 5–6 ^º; если же интенсивность искривления планируется равной 1,5 град/м, угол набора кривизны, особенно в твердых породах, следует ограничить 3–3,5 ^º .

Безаварийная работа бурильной колонны определяется не только интенсивностью искривления скважины, но и формой её ствола. При равномерном плавном искривлении ствола нередки случаи, когда бурильные трубы надежно работают на интервалах скважин, имеющих кривизну, превышающую предельные нормы. Однако при резких перегибах стволов, особенно в местах установки стационарных клиньев, съемных клиновых отклонителей, число обрывов бурильных труб увеличивается, что существенно снижает производительность бурения и повышает его стоимость.

Важнейшим обстоятельством при выборе i и δ_д является качество проработки интервала искривления технологическим снарядом. Здесь важны как правильно выбранные параметры технологического снаряда, так и тщательность выполнения операции проработки интервала кривизны, параметры которой должны соответствовать требуемым с позиций безаварийной эксплуатации бурильных колонн значениям (табл. 9.2).

Следует учитывать, что на качество проработки интервала искривления значительное влияние оказывает твердость горных пород. Поэтому при выполнении работ в твердых горных породах следует дополнительно ограничивать интенсивность искривления скважины отклонителем во избежание возможных резких искривлений, не поддающихся проработке технологическими снарядами. Оптимальной в твердых породах будет интенсивность искривления в пределах 1,0–1,2 град/м.

При бурении скважин в породах средней твердости полученный при искривлении перегиб ствола достаточно легко сглаживается и без интенсивной проработки, не вызывая усталостного износа труб и их обрывов. В таких горно-геологических условиях могут применяться искривления с повышенными значениями интенсивности набора кривизны (1,2–1,8 град/м).

Длина рейса отклонителем непрерывного действия определяется исходя из выбранных значений угла набора кривизны δ_д и интенсивности искривления, реализуемой отклонителем i_от:

. (9.16)

В случаях, когда интенсивность искривления ОНД находится в пределах 0,5–0,8 град/м, величина набора угла искривления δ_д может быть увеличена и составлять 6 и более градусов. Подобные значения параметры искусственного искривления могут использоваться и при искривлении скважин, буримых ССК, но при условии качественной проработки интервала искривления специальными технологическими снарядами, настроенными на проработку перегиба до допустимых (по условиям эксплуатации колонн) значений интенсивности искривления (табл. 9.2).