Роторные управляемые системы. Преимущества и недостатки

В настоящее время для проходки вертикальных, наклонных и горизонтальных стволов активно применяются rotary steerable system (RSS) – роторные управляемые системы (РУС), в которых разрушение горной породы осуществляется вращением долота с бурильной колонной верхним приводом буровой установки или ротором, а также отклоняющие системы, сочетающие применение винтовых забойных гидродвигателей и РУС.

Данные системы являются наиболее совершенными, а в сочетании с системами телеметрии и геонавигации превратились в совершенные беспилотные средства дистанционного управления направлением буримых скважин. Возможности этих систем впечатляют: при высочайших точности (± 0,1º) и оперативности данные системы способны осуществлять бурение скважин любой ориентации в пространстве протяженностью до 13 км непрерывными рейсами, протяженность которых может составлять более 1000 м. Современная отклоняющая система представляет собой беспилотный электронно-механический агрегат, управляемый дистанционно.

Обладая автономным источником электрической энергии подобные отклоняющие системы управляются с поверхности оператором через компьютер, который формирует сигнал, передаваемый через буровой раствор или посредством электромагнитного излучения до забойной компоновки, в которой посредством электронного блока и системы привода отклоняющего механизма, производится ориентированное в заданном направлении изменение направления скважины. В то же время встроенная система телеметрии ведет постоянный мониторинг угловых параметров бурящейся скважины и посредством электронного блока, и системы преобразования сигнала передает информацию на поверхность в блок приемки и усиления сигнала, далее в компьютер и на прибор для визуального контроля процесса бурения на буровой к оператору. В результате такого взаимодействия формируется новое задание для корректировки направления скважины, которое и реализуется с высокой точностью.

Достоинства:

– увеличение механической скорости проходки и, соответственно,

уменьшение времени бурения скважины за счет более равномерной отработки долота и исключение подъема работоспособного долота для изменения геометрии забойного двигателя;

– улучшение очистки скважины от шлама, сокращение времени на

промывку перед наращиванием и СПО;

– уменьшаются динамические скачки давления, снижается вероят-

ность гидроразрыва пород;

– улучшается качество ствола с минимальной микрокривизной, от-

сутствие спиральной выработки за счет постоянного контроля положения режущей поверхности долота, что позволяет провести успешное ее заканчивание;

– позволяет проводить сложные трехмерные профили с большим от-

ходом.

Недостатки:

– необходимость использования верхнего привода;

– высокие требования к очистке бурового раствора, низкому содержанию твердой фазы и материалов для ликвидации поглощений;

– сложность обслуживания на буровой, необходимость привлечения

персонала подрядчика;

– внедрение дополнительных датчиков в систему буровой;

– ограничения к расходу бурового раствора и буровым насосам;

– использование специализированных долот.

РУС «push- the- bit» (отклонение долота)

В системе с отклонением долота ориентация бурильной колонны в желаемом направлении производится путем нажатия на стенку скважины. В такой РУС используется блок отклонения с тремя выдвижными башмаками, приводимыми в движение буровым раствором и расположенными возле долота для создания бокового усилия на стенки скважины. Для увеличения угла соответствующие башмаки нажимают на лежачую стенку скважины, а для снижения угла – на висячую стенку скважины. Текущее значение координат ствола и другие рабочие параметры РУС от забоя к поверхности, а команды от оператора с поверхности на забой, передаются при помощи телеметрических систем по гидроимпульсному каналу связи, определяют время и мощность срабатывания башмака. Блок управления, расположенный над блоком отклонения, приводит в действие поворотный клапан, который открывает или перекрывает подачу бурового раствора на выдвижные башмаки в соответствии с поворотом бурильной колонны. Система синхронно изменяет амплитуду и силу давления башмаков, когда каждый из них проходит определенную ориентирующую точку.

РУС типа «Push the bit» состоит из невращающегося базового блока, блока контроля за процессом бурения и модуля телесистемы MWD.

В состав базового блока входят навигационные сенсоры, распределительный клапан и направляющие лопасти. В состав блока контроля за процессом бурения входят внутрискважинный компьютер и турбинный генератор или литиевые батареи. Во время бурения внутрискважинный компьютер сверяет загруженные в него проектные данные со значениями, поступающими из MWD модуля.

Если возникает отклонение от заданной траектории, внутрискважинный компьютер, при помощи навигационных сенсоров передаёт информацию распределительному клапану, который направляет гидродинамическую энергию бурового раствора на направляющие лопасти, которые выдвигаются из корпуса. В результате происходит отталкивание всей компоновки от стенки скважины в заданном направлении.

РУС «point - the - bit» (направление долота)

В системе с направлением долота используется внутренний изгиб для отклонения оси снаряда от текущей оси скважины и смены направления бурения. В такой системе точка изгиба находится в утяжеленной бурильной трубе (УБТ) сразу над долотом. Системы с направлением долота меняют траекторию скважины путем изменения угла торца бурильного инструмента относительно забоя скважины. Траектория изменяется в направлении изгиба. Ориентация изгиба контролируется при помощи серводвигателя, который вращается с той же скоростью, что и бурильная колонна, но в обратном направлении. Это позволяет сохранять геостационарную ориентацию торца бурильного инструмента при вращении УБТ.

РУС типа «Point the bit» – это оборудованный аппаратурой, наддолотный стабилизатор, состоящий из трёх основных компонентов, включая вращающуюся мандрель (приводной вал), эксцентриковую внутреннюю втулку и утяжелённый невращающийся наружный корпус. Инструмент работает, контролируя направление эксцентриковой внутренней втулки, которая смещает мандрель и, соответственно, долото в заданном направлении.

Расположение наружного корпуса постоянно отслеживается компьютером, который управляет инструментом и автоматически поправляет положение эксцентриковой внутренней втулки для сохранения соответствующей ориентации долота. Вращение внутренней втулки с целью изменения ориентации долота осуществляется двигателем постоянного тока со сверхвысоким крутящим моментом, работающим от литиевого аккумулятора или турбинного генератора.

 

Комбинированные РУС

Одной из последних разработок в области управляемых систем является гибридная РУС – устройство, сочетающее в себе характеристики систем с отклонением долота и с направлением долота. Примером такой РУС является PowerDrive Archer производства Schlumberger. В этой системе не используются выдвигаемые наружу башмаки для оказания давления на стенки скважины. Вместо этого четыре поршня привода внутри УБТ нажимают на цилиндрический поворотный хомут, который вращается на универсальном шарнире, ориентируя долото в желаемом направлении. Кроме того, четыре лопасти стабилизатора, расположенные на внешней части хомута над универсальным шарниром, оказывают боковое усилие на долото при контакте со стенкой скважины, что заставляет РУС работать в режиме системы с отклонением долота. Такая РУС имеет более низкий риск отказа или повреждения, поскольку все подвижные детали находятся внутри, что защищает их от воздействия неблагоприятной внутрискважинной среды. Такая конструкция также способствует увеличению срока эксплуатации РУС.

Роторные управляемые системы Power Drive X5 позволяют производить в процессе бурения:

- измерение зенитного и азимутального углов в непосредственной близости от долота;

- измерение уровня вибрации и ударной нагрузки КНБК;

- измерение скорости вращения долота;

-измерение гамма-излучения для геонавигации;

Влияние способа бурения (ротор, двигатель) на режимные параметры бурения (механическая скорость, нагрузка на долото, очистка ствола).

Для конкретных условий бурения ротор выбирают по допустимой нагрузке, передаваемой мощности, диаметру проходного отверстия для пропуска долота. Особенность роторного бурения — наличие двух каналов передачи энергии на забой: механической от привода ротора и гидравлической от насосов (компрессоров). Это обусловливает возможность подачи на долото относительно большой механической энергии (мощности N_д = M · n) при благоприятных сочетаниях частоты вращения n и крутящего момента M, а также гидравлической энергии (мощности N_дг = Δp_д · Q) при благоприятных сочетаниях расхода Q и перепада давления на долоте Δp_д.

При роторном способе, в отличие от бурения гидравлическими забойными двигателями, частота вращения долота четко устанавливается бурильщиком с пульта управления. Крутящий момент на долоте не зависит непосредственно от частоты вращения, а зависит от изменения осевой нагрузки, свойств пород, изнашивания зубьев и опор шарошек. Он изменяется от минимального, определяемого трением долота о стенки скважины, до максимального, ограничиваемого подведенной на забой мощностью.

Достаточный момент на долоте можно иметь и при небольшом диаметре скважины. Поэтому при роторном бурении относительно проще подбирать оптимальный режим бурения, методику отработки долота, изменяя осевую нагрузку и частоту вращения с пульта бурильщика.

При вращении бурильной колонны меньше опасности ее прилипания, зависания, прихвата. Осевая нагрузка на долото, определяемая по показаниям индикатора веса, близка к фактической, а вынос разбуренной породы обеспечивается при меньшей скорости восходящего потока, меньшей подаче буровых насосов. В то же время каверны, уширения и искривления ствола скважины увеличивают прогиб вращающейся колонны, повышают опасность ее слома.

Необходимо отметить также, что при роторном бурении практически возможно использование всех типов буровых растворов и продувки воздухом. При роторном бурении с низкими частотами вращения успешно используются долота со стойкими герметизированными опорами. Благодаря высокому крутящему моменту передается достаточно большая нагрузка на долото и бурение ведется в объемной области разрушения пород. В результате уменьшается скорость изнашивания опор и зубьев, достигается большая проходка на долото, иногда существенно превышающая проходку на долото при турбинном бурении.

Однако снижение частоты вращения и при бурении неглубокозалегающих пород невысокой пластичности и абразивности обусловливает кратное снижение механической скорости проходки по сравнению с высокооборотным бурением забойными двигателями. При проводке скважин относительно больших диаметров на малые и средние глубины это приводит к более низким коммерческим скоростям бурения по сравнению с турбинным способом.

В нашей стране роторным способом бурят, как правило, только нижние интервалы вертикальных скважин, не требующие использования отклонителей.

Турбинное бурение

Особенности турбинного бурения заключаются в следующем.

1. Улучшаются в отличие от роторного способа условия работы бурильной колонны, что позволяет облегчить и удешевить ее, применить легкосплавные и тонкостенные стальные бурильные трубы. Осевая нагрузка на долото, как и в роторном бурении, передается частью веса бурильной колонны, однако длина УБТ может быть уменьшена, поскольку передающий осевую нагрузку сжатый участок колонны не испытывает таких сложных напряжений, как при роторном бурении, реже встречаются усталостные поломки. Во избежание зависания и прилипания колонны к стенке скважины целесообразно периодическое ее проворачивание ротором. Срок службы бурильной колонны обычно в 2 раза больше, чем при роторном способе. Однако повышенные давления в циркуляционной системе вызывают более частый промыв резьб, что требует их тщательного контроля и смазывания, хорошего крепления, использования соединений повышенной герметичности.

2. Возрастает механическая скорость проходки вследствие высокой частоты вращения долота, что ведет к значительному росту коммерческой скорости, особенно для скважин небольшой и средней глубины. Однако снижается проходка на долото в связи с повышенным износом опор и вооружения долот, отсутствием долот с герметизированной опорой для высокооборотного бурения, ограничением перепада давления в насадках долота и скорости истечения бурового раствора из них. Недостаточно длителен межремонтный срок службы опор турбобура, что снижает эффективность применения износостойких алмазных долот, долот ИСМ; для их эффективного использования в ряде случаев недостаточен крутящий момент.

3. Могут использоваться все виды буровых растворов, исключение составляет лишь продувка воздухом. При бурении с промывкой аэрированными растворами удается
частично полезно использовать установленную мощность привода компрессоров. Однако турбина имеет относительно низкие показатели при использовании очень вязких и утяжеленных растворов. Турбины и опоры быстро изнашиваются при высоком содержании в растворе твердой фазы, шлама и песка.

4. Облегчается отклонение ствола скважины в требуемом направлении.

Винтовой двигатель

Как уже отмечалось, перепад давления в турбобуре почти не изменяется с увеличением момента, при повышении крутящего момента на долоте и в опорах турбобура до M = M_т вал турбобура останавливается, раствор продолжает поступать на забой. В объемном двигателе при повышении крутящего момента давление продолжает расти, пока или не срабатывает предохранительный клапан, или раствор, отгибая резиновые элементы статора, не начнет проходить частично на забой. При этом снизится и частота вращения. При дальнейшем увеличении момента вал двигателя остановится, раствор, отгибая резиновые винтовые поверхности статора, будет проходить через объемный двигатель на забой.
При бурении ВЗД в твердых породах проходка на долото увеличивается более чем в 2 раза, а в мягких — на 20—50% по сравнению с турбобуром, механическая же скорость бурения в обоих случаях ниже на 20—50%. Тем не менее при глубине скважины свыше 1500—2000 м ВЗД выгодны, ибо обеспечивают более высокую рейсовую скорость, которая, напомним, является интегральным показателем эффективности механического бурения.