Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшим енергетическим сырьем стратегического значення в настоящее время и ближайшие десятилетия остаются нефть и газ. Основнім резервом роста их добычи в первую очередь является улучшение технико-экономических показателей буровых работ» путем использования новых, совершенных технических средств и технологий их применения, особенно при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин. В связи с этим предъявляются более жесткие требования к качеству строительства ствола скваюш, поскольку этот фактор является основным в достижении цели снижения стоимости буровых работ. Поэтому, проблема качественной проводки скважин, а именно эффективное регулирование траекторией ствола, в особенности по авшутальноцу углу, является актуальной.
В настоящее время имеется значительный объем данных по работе неориентируеиых ННБК и способов их применения, обеспечивающих регулирование величиной зенитного угла скважины. Однако, сравнительно высокие скорости проходки при кустовом бурении, технологические операции по забуривают горизонтальных стволов из уже пробуренных скважин, требует обеспечения проводки ствола по проектному профилю уже на начальной стадии бурения, іконно поэтому, одной из актуальных проблем наклонного бурения является разработка новых технических средств обеспечивавших возможность регулирования значением азимутального угла скважины, как путем его изменения, так и стабилизацией, с учетом влияния геологического и субъективного факторов.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка и исследование регуляторов азимута нефтяных и газовых скважин.
Основные задачи работы
I. Аналитические и лабораторные исследования по обоснование использования силового гироскопического устройства как средства для осуществления регулирования азимута ствола скважины.
к. Опытно-конструкторские работы по созданию работоспособных конструкции технических средств для регулирования азимута с обоснованием юс основных параметров.
Научная новизна работы. Обосновано применение гироскопического эффекта для регулирования азимутальным углом ствола сква-
жины путем использования специальных устройств с автономно вращающейся массой.
Впервые доказано влияние продольных и поперечных колебаний КНБК на величину возникающего гироскопического момента и добавочной азимутальной силы на долоте. Причем установлено, что добавочная азимутальная сила возрастает с увеличением частоты продольных колебаний KHSI и уменьшается с ростом юс амплитуды.
На оснований проведенных исследований определены рациональные значения основных параметров гироскопических регуляторов: осевого момента инерции и скорости вращения автономной массы. .
Практическая ценность;
-
Созданные в результате теоретических и экспериментальных исследований новый тип технических средств - гироскопические регуляторы азимута с автономно вращающейся массой обеспечивают возможность регулирования величиной азимута скважины.
-
Применение разработанных регуляторов азимута позволяет априорно прогнозировать направление азимутального искривления путем варьирования направлениями прецессии я собственного вращения ав-
5 тономной массы.
В частности, использование регуляторов типа CA-IM позволяет решить проблецу стабилизации азимута с учетом коррекции на геологический характер естественного искривления ствола скважины.
3. Предложено устройство для управления КНБК в скважине, работа которого основана на накате центрирующей втулки на стенку скважины, позволяющее повысить эффективность процесса бурения за счет* возможности регулирования искривлением ствола без проведения спуско-подъемннх операций.
Реализация работы в промышленности. Конструкции регуляторов азимута типа СА использовались при бурении'14 скважин в условиях Уфимского, Бирского и Нефтекамском управлений буровых работ ПО"Башефть" и ІІО"Когалімнефтегаз".
Техническим заданием на НИиОКР корпорации "Роснефтегаз" планируется использование опыяюя партии гироскопических регуляторов типа ГРА-195 на буровых предприятиях Российской Федерации в период 1992-1993 гг.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
39-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии ( г.Уфа, 1988 г. )
5-й Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение горных пород при бурении" ( г.Уфа, 1990 г. )
Научно-технической конференции "Совершенствование методов поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений" ( г.Пермь, 1991 г. )
Международной конференции "Механика горных пород при бурении
( г.Гроаный, 1991 г. )
- семинарах кафедры нефтепромысловой механики УВД.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и защищаемых положений. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 48 рисунков. Список использованных источников включает 96 наименований.
Публикации. Основные положения диссертации помещены в одиннадцати печатных работах, из них - четыре статьи и два изоб-ретения, а такке в пяти"1іаучно=исследовательских~отчетах-УНИ-по— темам: № 514 за 1988, 1989, 1990, 1991 гг., » 5112 за 1990 г.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель и дана ее общая характеристика.
В первой главе представлен анализ факторов, вызывающих изменение азимутального угла скважины. Исследованию механизма и причин искривления ствола скважины посвящены работы Александрова Ы.М., Биишева А.Г., Васильева Ю.С., Гержберга D.M., Григоряна Н.А., Григулецкого В.Г., Гулизаде М.П., Динника Л.Н., Ишеыгуки-на Е.И., Иоанесяна Р.А., Кагарыанова Н.Ф., Калинина А.Г., Лягова А.В., Мавлютова М.Р., йамедбекова O.K., Поташникова В.Д., Сафиул-лина P.P., Середы А.Г., Сулакшина С.С, Султанова Б.З., Сушона Л.Я., Янтурина А.Ш. и др. Эти исследования ориентированы в основном на установление закономерностей искривления по зенитному углу.
Однако, с увеличением в последнее время объема кустового наклонно-направленного и горизонтального бурения, механических скоростей и повышения требований к качеству проводки ствола сква-кины,объективно встала задача сконцентрировать внимание на причи-
7 нах азимутального искривления.
Систематизируя имеющиеся результаты исследований в данном направлении учеными выделяются следующие основные факторы, влияющие на механизм искривления ствола скважины в азимутальном направлении - это геологический, технологический и субъективный. Причем, в конкретных условиях удельная доля влияния каждого из слагающих изменяется в большом диапазоне принимаемых значений.
Регулирование азимута скважины можно осуществлять двояким образом: либо путем применения ориентируемых в стволе скважины способов искривления, что связано с замером пространственного положения применяемого забойного оборудования, либо путем неориентированного бурения. В последнем случае направление искривления заранее известно, а его величина определяется стахостически.
Проведенный обзор существующих технических средств регулирования азимута свидетельствует о том, что проблема регулирования азимута решается в основном стахостическим учетом геологического и технологического факторов, или путем разработки специальных забойных компоновок, использующих уже имеющуюся широкую гамму серийного оборудования,а именно,опорно-центрирующих элементов (ОЦЭ).
Современный уровень развития технических средств регулирования азимута полностью объясняется исследованными направлениями теоретических работ, описывающих азимутальное искривление при движении КНШ. Большое количество аналитических исследований посвящено вопросам влияния "наката" долота на'боковую стенку скважины и расчету конструктивных параметров КНБК с ОЦЭ, зачастую без учета динамического характера работы бурильной колонны.
Анализ данных работ позволил установить, что одним из перспективных направлений осуществления регулирования азимута скважины является использование гироскопического эффекта, преднамерен-
8 но создаваемого в КНБК в процессе бурения.
Попытка оценить влияние гироскопического аффекта на изменение азимута была предпринята в 50-е - 60-е годы в работах Гулиэаде М.П. и Пауса Ф., в которых авторы пришли к выводу о неэффективности данного способа. Гулизаде М.П., в частности, рассматривает влияние гироскопического момента, создаваемого валом турбобура при прецессии определяемой механической скоростью бурения, получая при этом значение гироскопического момента Нгцр. - 0,3...1,2 -Нл^-Необходимо-отмегить^-что-в-данных-исследованиях-не-принимал-— ся во внимание динамический характер работы КНБК, возникающий при взаимодействии вооружения долота с разбуриваемой горной породой. В работах Балицкого П.В., Балицкого В.П., Векерика В.И., Габдра-химова М.С, Дранкера Г.И., Йшемгужина Е.И., Керимова З.Г., Копы- лова В.Е., Лебедева Н.Ф., Лягова А.В., Ыавлютова Ы.Р., Мирзадкан-заде А.Х., Огородникова П.И., Попова А.Н., Султанова Б.З., Эйге-леса P.M., Янтурина А.Ш. и др. показано, что колебательные процессы в ННБК вносят существенные коррективы в процесс бурения, в частности могут оказывать влияние на.скорость проходки. Следовательно, имеющие место продольные и поперечные колебания КНБК способны кратно усилить влияние гироскопического аффекта, создаваемого специальным устройством на возможность регулирования азимута. При этом упомянутое устройство также долино обладать автономностью вращения своей гироскопической массы.
фундаментальные основы теории гироскогши, представленные в работах Ишлинского АЛО., Крылова А.Н., Николаи Е.А., Пельпора Д.С. и др. подтверждают правильность данных положений. Поскольку, для создания значительной величины гироскопического момента необходимо, чтобы гироскопическое тело обладало существенной величиной кинетического момента, либо его прецессионное движение про-
9 . исходило е больший мгновенным значением угловой скорости.
Резшируя результаты проведенного анализа можно следующим обрааои сформулировать задачи исследовании- в данной работа. В связи в отсутствием в настоящее время технических средств, а также исследований по возможное!» преднамеренного создания в использования гироскопического ыомента вННБК, необходимо, теоретически и експериментально обосновать возможность регулирования азимута-путем использования специальных забойных технических средств.
Вторая глава посвящена аналитическому обоснованно использования гироскопического'эффекта для регулирования азимута сква-аины. Рассматривалась компоновка нижней части бурильной колонны, включащая забойный двигатель, на валу которого размещается устройство гироскопического типа ( в дальнейшем именуемое также "регулятор азимута", "гироскоп" ). Устройство состиот из корпуса с переводниками н автономно врашащайся массы па вестких опорах. Таким образом, корпус регулятора азимута вращается^ на валу забойного Двигателя о частотой вращения долота US , а автономная гироскопическая масса с собственной частотой Сг% . ^Ы^нaя КНЕК, находящаяся в наклоішо-кряшшшайюа «тесле сквадаш под действием осевой силы г и распределенной нагрузка от веса единицы длины Q( состааяящях ее элементов, притерпеваот изгиб и на долоте возникает поперечная отклоншцая сила ч При этом, под действием данной силы Ц и осевой г . за некоторый промежуток времени аТ , КНЕК совершит движение по некоторой дуге кривизной Н . Это перемещение иогно описать законами' свободного движения твердого тела. По мере формирования долотом криволинейной траектории ствола скважины, продольная ось гироскопического устройства изменит свое положение в пространстве. Данное движение гироскопического устройства в
составе КНБК, которое мокно рассматривать как поворот на некото
рый угол lj/ со скоростью прецессии вокруг
мгновенной оси, способствует» по теореме Резаля, возникновению
гироскопического момента, стремящегося развернуть продольную ось
гироскопа в плоскости ортогональной прецессионного движения. Ве
личина этого момента определяется как
Мгир.-Jz -&k-Q-sto'fi j
(і)
где Jz - осевой ыоыент инерции гироскопической_ыассы; В - угол ыеяду направлениями векторов, « иЬе, Поскольку преимущественными направлениями прецессии при механической бурении являются технологические операции по набору или снижению зенитного угла, следовательно плоскость действия гироскопического момента будет совпадать с азимутальной плоскостью, тоесть Поэтому, путем изменения направлений прецессии У и собственного вращения COz , можно добиться заранее прогнозируемого направления изменения азимута скважины. А именно, для увеличения азимута, при одновреыешоы_снинении значения зенитного угла ( положительное направление Ъс ) необходимо обеспечить левое ( взгляд с устья ) вращение гироскопической массы, а для уменьшения азимута -^правое. И наоборот, при отрицательном направлении скорости Ъс ( набор зенитного угла ), для увеличения азимута необходимо правое, а для уменьшения - левое направления вращений. Данные утверждения, вытекающие из закона прецессии гироскопов были визуально регистрированы на макетном образце КНБК. Для того, чтобы иметь представление о величине изгибающего момента в КНБК, что немаловажно при проектировании конструкций регуляторов, статическом значении отклоняющей силы на
на долоте от веса ее алеиентов КНЕС, были проведены аналитические исследования статического упруго-напряженного состояния компоновки, содержащий регулятор азимута.
Рассматривалась описанная выпе компоновка низа бурильной колонны с гироскопом под действием тех яе нагрузок г U CJ{ Модель КНЫС включала три участка с различными исесткостями:
I участок - на длине регулятора азсаута, П участок - на длине "вылета" вала забойного двигателя (ЗД)' до радиальной опоры шпинделя и Ш участок - на дшше ЗД до точки касания с нижней стенкой сквакгаш. Решения составленных дифференциальных уравнений упругой линии КНЕК, позволяют судить о величине изгибающего момента в КНЩ я поперечной отклоняющей силы на долоте Q при значениях осевой нагрузки Р =» 100 и 150 кН и зенитного угла & =10... ...40. Сопоставляя полученные результаты с аналогичными данными работ Шемгунина Е.Й., Лягова А.В., Султанова Б.З. наїли установлено, что введение в рассмотрение на участке П вала ЗД не вносит каких-либо качественных изменений» а лишь количественно корректирует картину упруго-напряженного состояния КНШ. А именно, при
И ~ 100 кН и (А = 0, изгибавщий момента по верхнему переводнику составляет МіЛЗс =.3280 Н.ц при .учете жесткости вала ЗД и Пи32, -.4200 Н.ц, без ее "рассмотрения.
Как уже отмечалось, возникающие при работе долота колебательные процессы в- КНЕК вносят существенные коррективы при определении скорости прецессии' и создаваемого гироскопического момента регулятором азимута с автономно вращавшейся массой. Принимая, в первом приближении, гармонігеескіій характер колебаний и на основании принципа суперпозиций, колебания центра масс гироскопа в продольном и поперечном направлениях ыояно записать в виде
которые происходят под действием возмущающих осевой W и поперечной отклоняющей сил.
Pith Pq COSUliti ( 4 )
QlthQ*'C0sbjtt, (5)
где fi2 пі " соответственно, алюлйтуды-продольных"грунтовнх— и поперечних колебаний бурильного инструмента; Ufa &ff - круговые частоты продольных грунтовых и поперечных колебаний; Hq - амплитуда динамической составляющей осевой
&.
силы при действии наиболее энергоемких грунтовых колебаний;
амплитуда динамической составляющей поперечной откяоаяющей силы иа долоте. Зная параметрйяескут» форму траектории движения центра масс гироскопа, определили динамическуюсоставляющую скорости прецес* сии.
; Угловая скорость прецессии ' яснол, определяется как
Фш;*:Ш;Х*М*', <6>
где к - кривизна участка траектории движения,
либо - :;.:-
'./ У
X У
m~;y--y$w*№
- . -(-7-)
ІЗ
Используя выражения по ( I ) и ( 2 ) и про-
изведя преобразования получаем:
А і 'Uff'Jt'Cifz cj&siiitSt+Awcasutt где
dtyu Wi-Ctlf
Знаки плюс и минус соответствует движению с падением и набором зенитного угла, соответственно. При равенстве Cttj и &h получаем частный случай движения по дуге эллипса со скоростью равной
**КОЛ.~ "* /в а t* * ( 9 )
41 -m'itbt- + 4f-sfo*ubf
Бели учестьі что за время одного цикла колебаний центра
масс гироскопа, последний одновременно перемещается на величину
Xcnr.f при механической скорости Умел. " 30 м/ч, за j/ « .
I сек. - Хст, « 8 мм, что сопоставимо с А& » 3..-.5 мм.
являешг Поэтому абсолютной траекторией движения центра массТнекоторая
кривая из семейства циклоид. Причем знак кривизны центральной оси обусловлен направлением отклоняющей силы W на долоте. Как видно иэ выражений ( 8 ) и < 9 ) скорость эскоц является переменной величиной. Очевидно, амплитудное значение еа зависит от амплитуд линейных скоростей по направлениям X \\ У . Для скорости / временной интервал достижения максимального значения равен четверти периода колебаний и при ^Z = 100 с" , составляет Д/ = 0,0157 с. Таким образом, из-за малости интер-
14 вала j/" значения угловой скорости прецессии и следовательно возникаицего гироскопического момента можно рассматривать как непрерывную последовательность мгновенных максимумов. Возникающий, при прецессии по цикловде, гироскопический момент можно представить в виде суммы
где гігир ~ гироскопический момент, создаваемый вращающейся
массой устройства-пріРдв]іжениіГпо~дуге~і!ривизной— равной кривизне ствола скважины со скоростью механического разрушензш горно" породы забоя;
и кол,
і іща, - гироскопический момент при скорости прецессии обусловленной-продольными и поперечными колебаниями центра масс устройства. Создаваемый!регулягороы азимута гироскопический момент, момент сил инерции- Кариолиса, через опоры и корпус передается на вал забойного двигателя. За счет наличия гарантированного радиального зазора в опорах забойного двигателя, а также податливости материала tec обкладок, гироскопический момент, действующий на вал забойного двигателя способствует созданию добавочной отклоняющей силы на долотец действующей5 в плоскости азимута. Веди-чина добавочной. Щаз. силы определяется следующим образом:
Щ '1&? -Ъе*04, ( II )
где 1кт, .г рдссіоднііещ-до/лота до точки касания забойного . ,;^д^ai^^liм'иftot^pквaшны. . Используй. по'л^Щн^ ёайисиыости ( 9 ) и ( II ) были определена числе&а^ аюче^;. ^. и . 4 . Расчеты проводи--лись при .следующих пЬфаштрах:. Д^ = 3,0...5,0 мм, Д{ =
15 = 2,0 j :3,0 ым, Ccj = 62,8...168 с , что соответствует вращению долота со скоростью Л$ = 200.. .600 мин , COg я = 300...800 с-1 Jz = 0,05; 0,1; 0,15 Н.м.с2.
Результаты расчетов показали, что величина силы Qo3. изме~ няется в пределах 200...600 Н в зависимости от параметров устройства и технологического режима бурения. Кроме этого, расчетами установлено, что при разбуривании более крепких пород, при неизменности технологического режима» действие Гироскопического момента, а следовательно и сялн иоз ~ уменьшается.
Третья глава посвящена разработке технических средств и способов их применения для регулирования азимута нефтяных и газових скванин, приведет их основные параметры. Основное место в данной Главе определено разработке конструкциґі гироскопических регуляторов азимута типа GA-I, СА-ІМ и ГРА-І.
На основании проведенных во второй главе исследований по использованию гироскопического эффекта для регулирования азимута установлено, что для осуществления поставленной задачи посредством применения забойного силового гироскопического аппарата необходимо, чтобы последний обладал автономностью вращения СЕОей массы, с частотой кратно превышающей частоту вращения дояота. Данное положение и было положено в основу разработки гироскопических регуляторов азимута. Регуляторы азимута представляют собой силовые забойные устройства гироскопического типа, основным элементом которых является автономно вращающаяся на жестких опорах масса ( вал ), приводимая гидравлическим движителем. В качестве двини-телей использовались радиальная турбина - сегнерово колесо, в конструкциях типа СА, и многоступенчатая осевая турбина в конструкции типа ГРА-І.
В конструкциях типа СА полость размещения опор выполнялась
цасдонаполненной с герметизацией торцовый уплотнениями на базе материала TU-I, разработанным УВД и ВешНИГИнефть» Конструкция торцовых уплотнений обладала гидравлическим коеффициентом разгрузки KfiQMo. в 0,57...0,65. Производился расчет движущего момента и рабочего числа оборотов сегнерова колеса: по известнш уравнениям гидромашин.
Окончательные значения параметров колеса принимались с уче-том потерь на механическое в гидравлическое трение в узлах регулятора типа СА,
Регулятор азимута ( устройство для направленного бурения ) типа ГРА-І является усовершенствованной конструкцией регулятора типа CA-IM. Преимуществом конструкции ГРА-І является ее расширенные функциональные возможности при направленном бурении, поскольку она позволяет изменять направления сращения автономно вращающейся массы в процессе бурения, без проведения спуско-подаемных операций. С этой цель» в ГРА-І предусмотрено наличие двух гидравлических движителей - основного, выполненного в виде сегнерова колеса и реверсивного, выполненного в виде осевой многоступенчатой осевой турбины. Цутеы цріщудителького байтасеирования рабочей жидкости через тот или иной двигатель, и происходит смена направления вращения.
Выбор основных конструктивных параметров осевой многоступенчатой турбины осуществлялся на основе расчетов по известным зависимостям осевых турбомашин П.П.Шумилова, в диапазоне изменения коэффициента циркукятивности Cf =0,3...0,7.
Разработана также конструкция устройства для управления компоновкой нижней части бурильной колонны в скважине. Устройство включает центрирующув втулку, принудительно вращающуюся на валу. Принудительное вращение осуществляется за счет гоокачивания рабо-
17 чей жидкости через шлюзы героторного механизма, размещенного меяду валом и центрирующей втулкой. Устройство выполнено с возможностью изменения направления вращения центрирующей втулки, частоты ее вращения и момента, за счет изменения гидравлического режима работы, или использования специальных конструктивных элементов, сбрасываемых во внутреннюю полость бурильного инструмента с поверхности. Данное устройство позволяет регулировать направление искривления скважины, как по зенитному углу, так и по азимуту.
Для определения основной рабочей характеристики натурного образца гироскопического регулятора азимута типа CA-IM, его кинетического момента п .были проведены лабораторные измерения угловой скорости вращения вала. Измерительные работы проводились в условиях Уфимского УБР ПО"Башнефтьп, на буровой установке учебного комбината. Измерение частоты вращения вала производилось косвенным способом, путем определения частоты вибрации в опорах, в процессе прокачивания через регулятор промывочной жидкости. Регистрация спектра частот радиальной вибрации производилась при помощи вибродиагностического анализатора машинного оборудования фирмы LJf /D0e7Sl2fI0' Полученное значение кинетического момента г/ - 197,89 Н.м.с, хорошо согласуется с расчетными данными полученными с учетом потерь на трение.
В четвертой главе представлены результаты промышленных испытаний разработанных регуляторов азимута.
С целью выявления работоспособности конструкций разработанных гироскопических регуляторов азимута типа СА определения влияния их применения на изменение траектории ствола скважины, в период I9B9-I992 годов было проведено опытное бурение на 14 скважинах на месторождениях разбуриваемых Уфимским, Нефтекамским и
18 Бирским ( Западносибирский регион ) Управлениями буровых работ ПО "Башнефть".
Промышленные испытания гироскопических регуляторов азимута проводились в различных горно-геологических условиях и технологических режимах бурения при проводко наклонных сквазсин долотами диаметром 215,9 и 295,3 мы. Бурение осуществлялось забойными двигателями: турбобурами ЗТСШІ-І95, 2ТСШ-240 и электробурами Э-190. Исследовательские работы проводились в интервалах 500...822 м. -
-в-условиях-Уфш>лского-УБРї-460^-гІ800-м—в-условиях-Бирекого-УБР-,
и 420...ПОО ы - в условиях Нефтекамского УБР. В процессе бурения регуляторы азимута типа СА включались в состг.в КНБК маятникового типа, а также КНБК в сочетании с калибраторами типа І2КСИ, 9ШІ габарита 214...215,9 мы и 295,3 мм, центраторами СН-2І4, ВЦ-295,3 и РСТК, СТК габарита 209...212 мм.
Анализ данных инклинометрических замеров позволяет констатировать, что при бурении компоновкой: долото, регулятор азимута типа СА-І, электробур Э-190/6РВ с системой телеметрии СТЭ, утяжеленные бурильные трубы диаметром 178 им - 25 ы, стальные бурильные трубы диаметром 127x9 мм, с нагрузкой на долото 80..,100 кН, с увеличением среднего значения зенитного угла в интервале бурения интенсивность падения последнего возрастает, а интенсивность изменения азимутального угла уменьшается.
При бурении с использованием регулятора азимута типа СА-Ш, в условиях Уфимского УБР наблюдалась следующая тенденция: при бурении с регулятором азимута левого вращения, и действия маятникового эффекта, происходит изменение азимутального угла в сторону его увеличения, а бурение с регулятором правого вращения приводит к уменьшению азимута. Например, на скв. 1334 Искринской площади при бурении КНБК с регулятором азимута СА-Ш правого вра-
19 щения, б интервале 6EQ...852 ы наблюдается уменьшение азимута с интенсивность» iff. = -2/100 м, а при бурении с CA-IM левого вращения - увеличение азимута, причем, в интервале 560...680 м -
їді - +I/IOO м ( при расходе промывочной жидкости 4feu= 23 дм3/с ), а в интервале 852...1037 и - Л - +2/Ю0 м ( при Qo/e =» 31 дм3/с ). Зависимость интенсивности искривления 1& от расхода промывочной жидкости является очевидной. Поскольку, применяемые в конструкции СА-Ш гидравлические движители - сегнеро-вы колеса приводят во вращение гироскопическую массу с величиной кинетического момента, прямо пропорциональной подаче бурового на- ' coca.
Для определения влияния гироскопического момента создаваемого вращающимся валом СА-Ш на азимут, был проведен специальный про- f мксловый эксперимент. Суть его заключалась в использовании регулятора правого вращения с "заклиненный" валом. Эксперимент проводился на скв. 990 месторождениях "Дружное" 1Ю"Когалымнефтегаэ" в интервале 504...1054 м. В данном случае CA-IM выполнял функцию тяжелого удлинителя вала турбобура. Инклинометрические замеры по данному интервалу свидетельствуют о характерном поведении КНШ без
действия на нее гироскопического момента, т.е. увеличение азиму-
* та 1^ = +3,0 град/100 и. Поскольку, при бурении долотами
МЗГВ-3 в данных интервалах азимут увеличится. Так, по скв. 4054, 6194, 4062 месторождения "Дружное" /^ соответственно равны +2,6, +2,5, +3,8 на 100 и проходки.
Результаты проведенных промысловых испытаний гироскопических регуляторов азимута типа СА-І и СА-ІМ подтверждают правомерность полученных аналитических выводов о возможности использования специального забойного устройства, создающего гироскопический момент на валу забойного двигателя, для регулирования азиыу-
, 20
га . В частности, по результатам опытного бурения можно утверж
дать о возможности компенсации естественного азимутального искрив
ления ствола обусловленного геологическим строением разбуриваемых
пород. Так же подтверждена зависимость направления действия доба
вочной отклоняющей силы на долоте в азимутальной плоскости от
направления вращения гироскопической массы регулятора азимута и
направления ее прецессии. Анализируя систематизированный промысло
вый материал по работе КНЙС с СА-1Ы мы видим, что при левом враще
нии вала гироскопа и положительном направлении-искривленшгпо-зе-
нитноыу углу азимут уменьшается ( при правом вращении - увеличивается ). Противоположные зависимости изменения азимута от направления вращения вала гироскопа получаются при смене направления скорости прецессии.
Резюмируя вышеизложенное, можно утвервдать, что полученные нами промысловые результаты свидетельствуют о достижении относительной стабилизации ствола по азимуту при помощи изменения направлений вращения гироскопической массы и скорости ее прецессии.
основные шведа и заіівданше положения
-
На основании проведенного анализа технических средств и способов регулирования азимута~ ствола скважины установлено, что до настоящего времени отсутствовали устройства и способы бурения скважин, использующие гироскопический эффект, а существующие -имеют< значительный процент брака.
-
Впервые показано, что одним из способов неориентированного регулирования, в частности стабилизации, ствола направленного участка скважины могут быть компоновки ( КНЩ ) использующие гироскопический эффект, создаваемый специальный забойным устройством.
-
Установлено, чго для обеспечения регулирования азиедта
21 скважины, гироскопическая масса устройства должна обладать автономностью вращения с частотой, кратно превышающей частоту вращения долота.
4. Теоретическими исследованиями установлено, что в процес
се бурения компоновкой с включением гироскопического устройства,
на долоте возникает добавочная азимутальная отклоняющая сила L/cy,
Направление указанной силы определяется направлением вращения
гироскопической массы, а также направлением скорости прецессии.
При левом вращении массы ( взгляд с устья ) и положительным зна
чением скорости прецессии, которое соответствует бурению с паде
нием зенитного угла, действие азимутальной отклоняющей силы спо
собствует увеличению азимута. При правом направлении вращения -
уменьшению.
В случае отрицательной скорости прецессии левое вращение -уменьшает азимут, правое - увеличивает.
5. Теоретически установлено, что при бурении забойными дви
гателями, скорость прецессии является геометрической суммой уг
ловой скорости Ъг/чу, поворота центра масс гироскопического ус
тройства при движении с механической скоростью бурения по дуге с
кривизной, равной кривизне ствола Скважины, а также угловой скорос
ти arjf/M возникающей от одновременного действия продольных А і.
Си% и поперечных Af j Щ колебаний ШНС. Причем, величина уг
ловой скорости Ърлы «ного больше величины 2r*tfx,
Показано, что угловая скорость Угщ^ зависит от амплитуд продольных /jg и поперечных Af колебаний центра масс, а также от частоты колебаний &2 ''.-"'
Представлены аналитические исследования статического упруго-напряженного состояния КНБК содержащей гироскопический регулятор аэимуга. Получено изменение отклоняющей силы на долоте ь/ от'
.'22 осевой нагрузки и величины зенитного угла ствола скважины.
Доказано, что величина возникавшей на долоте добавочной азимутальной отклоняющей силы Ц<ц. составляет 40...60 % от величины силы Q .
-
Установлено, что величина добавочной азимутальной отклонявшей силы увеличивается с росток собственной скорости вращения долота, и уменьшается с ростом амплитуды продольных колебаний.
-
Обоснованы основные параметры гироскопических регуляторов
азимута: величина момента инерция~Бращаюцэйся~массьги~частота вращения.
На основании аналитических исследований рекомендованы их следующие расчетные значения: момент инерции массы Jz = 0,10...
о т '
...0,12 Н.м.с , скорость ее вращения - ц^ = 3000 мин"4- ( для сегнерова колеса ) и /1^ « 7000...6000 мин - для осевой многоступенчатой турбины.
Ь. Разработаны, изготовлены и испытаны гироскопические регуляторы азимута типа СА-Ш. В результате проведенных промысловых испытаний на 14 скважинах в условиях Уфимского, бирского ( Западносибирского региона ) и Нефгекамского управлений буровых работ ПО "Башнефть", конструкция СА-1Ы признана работоспособной.
9. Разработана на уровне изобретения конструкция устройства
для направленного бурения типа ГРА-І ( с вращателями в виде сег
нерова колеса и осевой турбины ). Представлены гидродинамические
расчеты вращателя в виде высокоскоростной турбины, для выбора па
раметров последней.
10. Разработана на уровне изобретения конструкция устройст
ва для управления Ю1БК в скважине, принцип работы которого основан
на накате автономно вращающейся центрирующей втулки на стенку
скважины.
