компоновка для стабилизации направления бурения

Формула изобретения

КОМПОНОВКА ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРАВЛЕНИЯ БУРЕНИЯ, включающая направляющую штангу с долотом, упругий наддолотный центратор и установленный на верхнем конце направляющей штанги сдвоенный опорно-центрирующий элемент, имеющий расчетную длину, отличающаяся тем, что сдвоенный опорно-центрирующий элемент расположен от упругого наддолотного центратора на расстоянии L не более величины, определяемой соотношением



где E модуль упругости материала направляющей штанги, кн/м²,

I осевой момент инерции поперечного сечения направляющей штанги, м⁴;

P вес низа бурильной колонны, кн;

коэффициент запаса устойчивости;

C жесткость упругого наддолотного центратора, кн/м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для стабилизации направления бурения, и может быть использовано для проводки вертикальных и наклонно-направленных скважин, преимущественно при роторном способе бурения.

Известна компоновка для стабилизации направления бурения, содержащая долото, наддолотный калибратор, бурильные трубы и установленные по их длине на определенном расстоянии от долота спаренные опорные элементы [1]

Однако, если в процессе бурения различных по физико-механическим свойствам пород диаметр скважины увеличится и превысит номинальный, наддолотный калибратор сместится к нижней стенке скважины, а ось долота на соответствующую величину от оси скважины. В этом случае компоновка не может работать в расчетном режиме и обеспечить стабилизацию направления бурения, поскольку ее действие основано на условии постоянного контакта опорно-центрирующих элементов со стенками скважины.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому эффекту является компоновка для стабилизации направления бурения, включающая направляющую штангу с долотом, упругий наддолотный центратор и установленный на верхнем конце направляющей штанги сдвоенный опорно-центрирующий элемент, имеющий расчетную длину [2]

Недостатком данной компоновки является отсутствие рекомендаций по выбору параметров компоновки и размещению сдвоенного опорно-центрирующего элемента, что не позволяет в полной мере нейтрализовать угол поворота сечения компоновки в месте размещения данного элемента. Поэтому на долото и упругий наддолотный центратор действуют изгибающий момент и поперечная сила, вызывающие одностороннюю деформацию упругого наддолотного центратора, смещение оси долота от оси скважины и, как следствие, нежелательное изменение направления бурения.

Изобретение направлено на повышение точности проводки прямолинейных участков скважины в заданном направлении. При осуществлении изобретения благодаря оптимальному выполнению и размещению опорно-центрирующего элемента последний отсекает действие на долото и упругий наддолотный центратор неблагоприятных силовых факторов изгибающего момента и поперечной силы. Поэтому упругий наддолотный центратор работает без существенных односторонних деформаций и постоянно удерживает ось долота на оси скважины.

Для этого в компоновке для стабилизации направления бурения, включающей направляющую штангу с долотом, упругий наддолотный центратор и установленный на верхнем конце направляющей штанги сдвоенный опорно-центрирующий элемент, имеющий расчетную длину, сдвоенный опорно-центрирующий элемент расположен от упругого наддолотного центратора на расстоянии L, не более величины, определяемой соотношением

L 4,49 , где Е модуль упругости материала направляющей штанги, кН/м²;

J осевой момент инерции поперечного сечения направляющей штанги, м⁴;

Р вес низа бурильной колонны, кН;

коэффициент запаса устойчивости;

С жесткость упругого наддолотного центратора, кН/м.

Рассмотрим напряженное состояние компоновки, содержащей долото, упругий центратор, направляющую штангу и сдвоенную опору из двух калибраторов.

Основное свойство сдвоенной опоры нейтрализация угла поворота сечения бурильной колонны в точке, соответствующей середине этой опоры [2] В силу этого, колонна "разрезается" в этой точке на две не взаимодействующие (в пределе) части, теряющие устойчивость под действием нагрузки независимо друг от друга и имеющее в указанной точке закрепление, не допускающее поперечных перемещений и ненулевых поворотов сечения. Напротив, в месте расположения упругого центратора направляющая штанга может свободно поворачиваться относительно оси и благодаря упругости центратора возможно ее поперечное перемещение.

Таким образом, напряженное состояние компоновки можно рассчитать, рассматривая уравнение балки, сжатой нагрузкой, взятой с произвольным коэффициентом запаса , с заделкой на верхнем конце (Z=L) и опирающейся на упругий шарнир на нижнем конце (Z=0).

Уравнение напряженного состояния балки:

EJY^IV+PY^II=0

Граничные условия на верхнем конце балки:

Y(L)=0

Y"(L)=0

Граничные условия на нижнем конце балки:

Y"(0)=0

EJY""(0)+PY"(0)-CY(0)= 0, где Е модуль упругости материала направляющей штанги;

J осевой момент инерции поперечного сечения направляющей штанги;

Р вес низа бурильной колонны;

коэффициент запаса;

С- жесткость упругого центратора.

В результате решения вышеуказанной краевой задачи получаем трансцендентное уравнение

tg L L+ = 0

Данное уравнение решаем методом Ньютона (Калиткин Н.Н. Численные методы. М. Наука, 1978, с. 511). В результате определяем расстояние L от упругого центратора до сдвоенной опоры

L 4,49

Предложенное техническое решение дает оптимальное выполнение опорно-центрирующего элемента в виде опоры, составленной из двух калибраторов, а также определяет место расположения данной опоры относительно упругого наддолотного центратора с учетом жесткости последнего. В результате этого опора отсекает неблагоприятное силовое воздействие на компоновку вышерасположенной части бурильной колонны, которое является следствием потери устойчивости этой частью и проявляется в виде изгибающего момента и поперечной силы, приходящих сверху на опору. Таким образом, устраняется односторонняя деформация упругого наддолотного центратора, благодаря чему последний способен постоянно удерживать ось долота на оси скважины. Это способствует повышению точности проводки прямолинейных участков скважины в заданном направлении.

На чертеже изображена компоновка для стабилизации направления бурения.

Компоновка для стабилизации направления бурения содержит направляющую штангу 1 с долотом 2 и упругим наддолотным центратором, включающим ствол 3, на котором установлен с возможностью вращения каркас 4 с упругими опорными планками 5, номинальный диаметр которого в опорном сечении на 10-20% больше номинального диаметра долота 2.

На верхнем конце направляющей штанги 1 установлен сдвоенный опорно-центрирующий элемент, составленный из двух калибраторов 6, соединенных переводником 7. Диаметр сдвоенного опорно-центрирующего элемента равен или несколько меньше диаметра долота 2, а его длина l определяется из соотношения:

l (0,05-0,2) где Е модуль упругости материала переводника, кН/м²;

J осевой момент инерции поперечного сечения переводника, м⁴;

q вес единицы длины переводника, кН/м;

коэффициент запаса устойчивости;

С жесткость упругого наддолотного центратора, кН/м.

Место установки сдвоенного опорно-центрирующего элемента выбирают с учетом параметров направляющей штанги 1 и упругого наддолотного центратора. Расстояние L от сдвоенного опорно-центрирующего элемента до упругого наддолотного центратора устанавливают не более величины, определяемой из соотношения:

L 4,49 где Е модуль упругости материала направляющей штанги, кН/м²;

J осевой момент инерции поперечного сечения направляющей штанги, м⁴;

Р вес низа бурильной колонны, кН;

коэффициент запаса устойчивости;

С жесткость упругого наддолотного центратора, кН/м.

Расстояние L берется от середины сдвоенного опорно-центрирующего элемента до опорного сечения (сечения с максимальным диаметром в свободном состоянии) каркаса 4 упругого наддолотного центратора.

Компоновка соединена с бурильной колонной 8.

Компоновка для стабилизации направления бурения работает следующим образом.

Собирают компоновку с параметрами согласно расчета и опускают в скважину, при этом упругие планки 5 каркаса 4 деформируются до фактического диаметра скважины. Начинают вращать долото 1 с постепенным увеличением осевой нагрузки, создаваемой весом низа бурильной колонны. Компоновка позволяет довести до долота 1 достаточно высокие осевые нагрузки, действующие перпендикулярно поверхности забоя без отклоняющих усилий, т.к. сдвоенный опорно-центрирующий элемент "отсекает" направляющую штангу от вышерасположенной части бурильной колонны, сохраняя перпендикулярность оси направляющей штанги 1 поверхности забоя.

Упругий наддолотный центратор обеспечивает совмещение оси долота 1 с осью скважины в процессе бурения. Причем его каркас 4, взаимодействующий упругими опорными планками 5 со стенками скважины, не вращается, а только поступательно перемещается при углублении скважины вдоль ее оси. Ствол 3 центратора, связанный с долотом 1, вращается в опорах каркаса 4.

Устойчивое положение направляющей штанги, которое обеспечивается сверху сдвоенным опорно-центрирующим элементом, а снизу упругим наддолотным центратором, позволяет повысить точность проводки прямолинейных участков скважины в заданном направлении. Наряду с этим калибраторы, составляющие сдвоенный опорно-центрирующий элемент, подготавливают ствол к спуску обсадных колонн.