Технология бурения нефтяных и газовых скважин

6. НАЗНАЧЕНИЕ, КОНСТРУКЦИЯ  И ПРИНЦИП РАЗМЕЩЕНИЯ УСТРОЙСТВ, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ, И ДРУГИХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Центраторы различных типов применяются для центрирования нижнего направляющего участка бурильной колонны в стволе скважины и предупреждения самопроизвольного его искривления. Все типы центраторов работают на принципе отжатия бурильной колонны от стенки скважины. К ним предъявляется ряд требований, основные из которых следующие: надлежащее центрирование колонны; достаточная площадь контакта со стенками скважины при бурении в любых породах, исключающая механическое внедрение центрирующих элементов в стенки скважины; хорошая проходимость по стволу; высокая износостойкость, хорошая динамическая балансировка (для вращающихся центраторов), исключающая биение и вибрации и др.

Центраторы  могут быть классифицированы по различным признакам.

По принципу действия:

      1) механические с жесткими центрирующими элементами, 
с эластичными центрирующими элементами, упруго изме 
няющими свои размеры и форму; центробежные, в которых 
колонна отжимается от стенок к оси скважины за счет цен 
тробежных сил вращающихся частей плашек центратора;

       2) гидравлические с выдвижными центрирующими эле 
ментами (плашками, зубками).

По конструктивному  исполнению:

1) лопастные; 2) шарошечные.

  Лопастные центраторы с жесткими центрирующими  элементами выполняются только неполноразмерными из-за опасности их заклинивания в стволе скважины. Шарошечные центраторы, как правило, выполняются полноразмерными. Диаметр эластичных центраторов в недеформированном состоянии больше диаметра долота, но в скважине становится равным ее диаметру.

  Наибольший  эффект центрирования достигается  при применении полноразмерных центраторов, которые, однако, требуют более высокой точности изготовления и износостойкости. Для повышения износостойкости рабочая поверхность центраторов армируется твердым сплавом.

  Исходя  из известной концепции о том, что искривление обусловливается  не столько наклоном долота, сколько  наклоном реакции забоя к оси скважины, при бурении прямолинейного ствола центраторы размещают так, чтобы свести к минимуму отклоняющую силу на долоте.

  Калибраторы предназначены для выравнивания стенок скважины и доведения ее диаметра до номинального при потере долотом диаметра из-за износа. Главная цель применения калибратора — придание стволу скважины формы правильного кругового цилиндра, т.е. калибровка ствола скважины.

  Применяющиеся в настоящее время калибраторы  подразделяются на

1) лопастные  и 2) шарошечные. Лопастные калибраторы  различаются:

1. по числу лопастей — двух-, трех- и шестилопастные;
2. по направлению лопастей — с продольными лопастями типа КЛ, со спиральными лопастями типа КЛС;
3. по способу крепления лопастей — с постоянными (приваренными) лопастями, со сменными лопастями;
4. по способу установки калибрующих элементов на лопастях — с неподвижными рабочими элементами; с подвижными элементами (выдвижными штырями в специальных обоймах с целью компенсирования износа) типа КВЗ.

Шарошечные калибраторы  подразделяются:

1. по числу шарошек — одношарошечные, двухшарошеч-ные, трехшарошечные;
2. по схеме размещения шарошек — с продольным расположением шарошек, с наклонным расположением шарошек;
3. по форме и материалу зубьев шарошек — с фрезерованными зубьями, с твердосплавными зубками.

  Шарошки на корпусе устанавливаются на опорах качения — шариковых и роликовых.

  Главное требование к калибраторам — высокая износостойкость и долговечность калибрующих элементов. С этой целью рабочие элементы и лопастных, и шарошечных калибраторов армируются вставными твердосплавными штырями из карбида вольфрама. Их диаметр должен быть равен номинальному диаметру долота.

  Другие  требования: геометрическая симметричность и динамическая сбалансированность, хорошая проходимость по стволу скважины, удобство и надежность в работе.

  При выборе калибратора для конкретных условий учитывают твердость и абразивность пород, способ и опыт бурения в данном районе.

  Наиболее  экономичны калибраторы со сменными рабочими элементами. При бурении с забойными двигателями их располагают непосредственно над долотом на валу забойного Двигателя, а при роторном бурении — между долотом и над-Долотной трубой.

  Стабилизаторы предназначены для стабилизации (улучшения условий) работы нижнего направляющего участка бурильной колонны путем ограничения стрелы прогиба труб, особенно при наличии каверн, гашения поперечных (частично продольных и крутильных) вибраций бурильного инструмента на контактах его с глинистой коркой.

  Стабилизаторы конструктивно аналогичны центраторам, и все требования, предъявляемые  к последним, остаются в силе и  для стабилизаторов. Кроме того, длина стабилизаторов выполняется несколько больше. Применяемые в настоящее время стабилизаторы имеют различную геометрическую форму, размеры и конструкцию и могут быть классифицированы по этим признакам как стабилизаторы:

1. с цельными лопастями;
2. со сменными лопастями;
3. с приваренными лопастями.

  Стабилизаторы типа 1 применяют преимущественно  при бурении в твердых породах, типа 2 — в очень твердых и  абразивных породах, типа 3 — в мягких породах, однако калибрующие поверхности их лопастей обязательно армируют твердым сплавом. Простейшими типами стабилизаторов являются также и маховики, устанавливаемые над долотом, которые при бурении с забойными двигателями могут устанавливаться на нижнем или верхнем конце их вала, а также УБТ квадратного сечения, со спиральными канавками и лысками и др.

  Следует отметить, что калибраторы и стабилизаторы  одновременно выполняют и роль центраторов. Вообще, деление их следует рассматривать в значительной мере как условное. Так, калибраторы и некоторые типы центраторов являются одновременно хорошими стабилизаторами низа бурильной колонны. Часто в технической литературе не делают различия между калибраторами и стабилизаторами, называя эти устройства калибраторами-стабилизаторами. Однако присущие только данному техническому устройству специфические функции и особенности их геометрии и размеров позволяют производить достаточно четкую и целесообразную классификацию.

  Помимо  перечисленных, общими для всех устройств  требованиями является минимальность гидравлических потерь в процессе бурения и СПО.

  Амортизаторы применяют с целью снижения амплитуды динамических (вибрационных и ударных) осевых и момент-ных нагрузок, а также поперечных сил, возникающих в процессе бурения. Никакой амортизатор не способен полностью исключить динамические нагрузки. Поэтому речь должна идти о снижении их до таких величин, которые не представляют опасности для целостности любого из  элементов бурильной колонны, включая и буровое долото, являющееся основным источником колебаний. Более того, полностью гасить динамические нагрузки было бы даже нерационально. Как показала практика бурения, всегда целесообразно поддерживать осевые динамические нагрузки на некотором, оптимальном уровне, обеспечивающем более интенсивное разрушение породы и более высокие скорости бурения. В этом специфическая особенность забойных амортизаторов в отличие от амортизаторов, применяющихся в других отраслях техники.

  Отметим, что в технической литературе можно встретить множество других названий этого или близких к  нему технических устройств: виброгаситель, демпфер, отражатель, гаситель, регулятор колебаний и т.д.

При использовании  амортизаторов:

1. повышается стойкость долота, средняя за долбление механическая скорость увеличивается на 5—10 %, а проходка на долото на 10 — 50 %;
2. снижаются амплитуда вибраций, перегрузочные и усталостные поломки бурильной колонны и долота, число повреждений элементов наземного оборудования, реагирующих на колебания бурильных труб;

  2) расширяется диапазон устойчивой  работы, повышается приемистость  к осевой нагрузке, снижается степень неравномерности вращения вала, сокращаются усталостные поломки деталей забойного двигателя.

  Отмеченные  положительные эффекты являются результатом снижения динамических нагрузок, особенно их пиковых значений, на долото, забойный двигатель, бурильную колонну и другие элементы бурового оборудования.

  Принцип амортизации заключается в следующем. Любой амортизатор имеет упругое  и диссипативное (т.е. рассеивающее энергию) звено. Жесткость упругого звена С# значительно ниже жесткости бурильной колонны <^_к. При установке амортизатора в колонне (рис. 6.16) последняя делится на две части с различными кинематическими, динамическими и энергетическими параметрами. Часть колонны ниже амортизатора приобретает значительно большую подвижность. Действительно, под действием одной и той же динамической силы Я_д перемещение колонны 5_К и части ее ниже амортизатора 5_а обратно пропорциональны своим жесткостям: 5_К = Р_А/С,_К и 5_а = Р_А/С^. Отсюда 5_к/5_а = й/С,_к; 5_К = х_п-5_а, где £„ - коэффициент гашения перемещений (колебаний). Обычно жесткость упругого звена выбирается в кратное число раз меньше жесткое-

 

  

Рис. 16. Схема установки амортизатора в колонне:

/ — нижняя часть бурильной колонны; 2 — диссипативное звено амортизатора; 3 — ударный участок; 4 — долото; 5 — амортизатор; 6 — упругое звено амортизатора; 1у — длина ударного участка, формирующего динамическую нагрузку на долото

ти  колонны, так что к_в « 1. Следовательно, 5_К« 8_а, т.е. колонна выше амортизатора, подвержена во много раз меньшим колебательным перемещениям, чем буровое долото.

  Амортизаторы  рекомендуется устанавливать над ударным участком, как это показано на рис. 6.16, чтобы наиболее эффективно снижать величину Р_А. Под ударным участком понимается участок длиной, равной расстоянию пробега волн (основной частоты) упругих деформаций (звука в металле) туда и обратно за один период колебаний. Исходя из этой кон-

цепции, оптимальное место установки  амортизатора — 25 — 50 м от долота при  бурении с забойными двигателями  и 100 — 150 м — при роторном бурении.

  При наличии в колонне амортизатора только часть колебательной энергии проходит выше амортизатора, небольшая часть отражается и возвращается к долоту (в виде кратно ослабленной волны), а основная часть поглощается в диссипа-тивном звене амортизатора и рассеивается в виде тепла. Амортизатор изменяет не только амплитуду колебаний, но и частоту ее, форму волны, фазу.

  Амортизаторы  могут быть классифицированы по следующим признакам.

1. По области применения:

ударное и  ударно-вращательное бурение;

вращательное  бурение — наземное;

морское;

сплошным забоем;

колонковое.

2. По назначению:

гашение продольных колебаний; гашение крутильных колебаний;

гашение продольных и крутильных колебаний; гашение поперечных колебаний;

гашение продольных, крутильных и поперечных колебаний.

3. По форме демпфирующего узла: 
штанговые;

пружинные; поршневые.

4. По материалу: 
стальные (или из сплава); 
резиновые;

из «металлической резины».

5. По форме пружин: 
винтовые цилиндрические; 
конические; 
тарельчатые; 
кольцевые; 
клинчатые.

Требования  к амортизаторам очевидны и вытекают из назначения их с учетом особенностей разрушения горных пород. Главное из них — надежная защита бурильной колонны, долота, забойного двигателя и других элементов колонны от чрезмерно больших (пиковых) нагрузок, при поддержании колебаний в оптимальных пределах, способствующих эффективному разрушению пород. Другое важное требование — долговечность и надежность работы всех его узлов.