1. ТЕХНОЛОГИЯ РАСШИРЕНИЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
1.1 Основные положения, виды расширителей
Термин «расширитель» употребляется в значении «устройство для расширения ствола скважины». Подходящим названием для устройств с расширяющим режущим элементом будет «раздвижной расширитель». Лапы с режущими элементами остаются сложенными в корпусе устройства, пока оно движется в скважине. Как только будет достигнута необходимая глубина, давление циркулирующего бурового раствора приводит в действие расширяющие резцы. Дополнительное падение давления на расширителе дает оператору сигнал о том, что лапы с резцами полностью раскрылись и устройство расширяет скважину до требуемого калибра.
Расширители ствола буровых скважин, как и другой технологический инструмент, по принципу действия и особенностям работы во многом отличаются от бурильного инструмента. Расширители применяют как для последовательного расширения уже пробуренного ствола скважины, так и для бурения с одновременным расширением скважины. Во многих случаях более выгодно бурить ствол долотом диаметрам 190,5-293,5 мм (вместо 445 мм) с расширением его до требуемого размера. Расширители можно классифицировать по виду, форме их рабочих органов (лопастные, шарошечные и др.). способу крепления рабочих органов (жесткозакрепленные, разборные и раздвижные), числу этих органов, типу их вооружения и другим отличительным особенностям.
Применяют два вида расширителей: шарошечные и лопастные (преимущественно в мягких породах). В связи с ростом числа глубоких и сверхглубоких скважин, усложнением конструкций скважин, увеличением их начального диаметра и диаметра кондуктора ассортимент расширителей, особенно шарошечных, неуклонно увеличивается. Известны также ступенчатые, двухъярусные и многоярусные расширители. Для расширения ствола скважины под башмаком обсадной колонны и в других случаях используют раздвижные расширители. В РФ организовано серийное производство трехшарошечных расширителей-калибраторов одного типа РШ. семи размеров, диаметрами 243-490 мм для нефтяных и газовых скважин.
Процесс расширения ствола до диаметра большего, чем диаметр спущенной бурильной колонны является достаточно распространенной и важной операцией при строительстве скважины. Эта операция позволяет снижать риски возникновения аварийных ситуаций в процессе крепления стенок скважины, а также позволяет увеличить дебит за счет возможности спуска в скважину максимально доступной колонны.
Развитие технологий бурения и проводки скважин сложного профиля, увеличение глубин залегания углеводородов и необходимость роста производительности скважин придают задаче по увеличению диаметра ствола пробуренной скважины все большую актуальность. Раздвижные расширители различного типа находят повсеместное применение как при ремонте существующего фонда скважин, например, при ЗБС, так и при освоении шельфовых месторождений, где вопросы повышения эффективности и безопасности приобретают особую важность.
Увеличение диаметра скважины дает ряд преимуществ, среди основных можно отметить следующие:
• во-первых, упрощение спуска колонн и возможность применения промежуточной обсадной колонны большего диаметра;
• во-вторых, снижение риска возникновения аварий, вызванных гидравлическими ударами, за счет эффективного регулирования эквивалентной плотности циркулирующего бурового раствора при уменьшении скорости потока в затрубном пространстве;
• в-третьих, упрощение операций заканчивания скважин с открытым стволом, скважин с применением гравийных фильтров и хвостовиков большего размера;
• и четвертое, оптимизация цементировочных работ.
Для выполнения операций по расширению ствола скважины могут использоваться буровые инструменты, имеющие различные принципы работы. В общем случае все инструменты можно разделить на две крупные группы по признаку возможности изменения рабочего диаметра инструмента в процессе выполнения работ. При таком разделении в одну группу попадут инструменты с фиксированным диаметром инструмента, такие как бицентричные долота и наддолотные эксцентриковые калибраторы, а в другую - инструменты с изменяющимся диаметром рабочих органов, или раздвижные расширители. Первые имеют рабочий размер, ограничиваемый диаметром проходного отверстия обсаженной части скважины, вторые же характеризуются возможностью увеличения диаметра рабочих элементов уже после спуска в скважину. Преимущества и недостатки инструментов обоих типов представлены в таблице 1.
Несмотря на ощутимый эффект применения расширителей при строительстве скважин, следует помнить, что данная операция сложна и может приводить к прихватам и затяжкам. По данным некоторых специалистов, до 20% всех прихватов происходит именно в процессе расширения ствола скважин.
Успех и качество данной операции во многом зависит от качества и технологичности используемого оборудования, поэтому необходимо особенно тщательно подходить к выбору применяемого инструмента. Экономия на оборудовании может привести к значительным потерям средств как в случае возникновения осложнений при проведении работ по расширению, так и при последующих операциях - спуске обсадной колонны или концевика и цементировании.
Таблица 1 Сравнительная характеристика инструментов для расширения ствола скважины
№ Инструмент с фиксированным размером рабочих элементов (бицентричные долота и расширители) Инструмент с изменяемым диаметром рабочих элементов (раздвижные расширители)
Преимущества Недостатки Преимущества Недостатки
1 Простота технологической операции и конструкции оборудования Ограниченная степень расширения - оптимально не более 10% исходного диаметра Возможность увеличения ствола до 25% от исходного диаметра Более сложная и дорогая конструкция
2 Нет необходимости проведения дополнительных СПО Нестабильность работы - высокие вибрации, отклонения оси и скважины Стабильность и сбалансированность конструкции - снижены вибрации и удары Желательно проведение расширения пробуренного интервала отдельным рейсом
3 Возможность расширения всего интервала до требуемой глубины Сложность работы в наклонных и горизонтальных стволах Стабильность работы в направленных скважинах Остаётся нерасширенный участок на длину компоновки ниже расширителя
4 Осложненная работа инструментов измерения в процессе бурения (MWD) Соосность расширенного ствола с исходным Необходимость создания и поддержания повышенных давлений при активации шаром
5 Слабый контроль за направлением при бурении Полный контроль за направлением бурения
На протяжении многих лет достаточно простые конструкции расширителей удовлетворяли потребности нефтяной промышленности. Однако с началом активного применения направленного бурения, значительным увеличением протяженности и усложнением геометрии скважин возникла потребность в использовании современных высокотехнологичных инструментов, отвечающих всем требованиям высокопроизводительного бурения - так началась эра современных расширителей, которые уже успели получить повсеместное распространение.
Далее в работе «расширитель» будет означать «раздвижной расширитель».
1.2. Обзор буровых инструментов для расширения ствола скважин
Также к расширителям для бурения можно отнести бицентричные долота. Бицентричные долота находят широкое применение для местного расширения ствола в процессе бурения скважины и при бурении боковых скважин из ранее пробуренных стволов. Схема работы долота в скважине показана на рисунке Рисунок 1. Долото состоит из переводника 1 и головки 2. На верхней части головки выполнен лопастной асимметричный расширитель 3 диаметром D. Нижняя часть головки представляет собой пилотное долото диаметром d. Лопасти пилотного долота и расширителя оснащены алмазно-твердосплавными резцами 6. Бицентричные долота, как и долота аналогичных им типов, могут оснащаться элементами вооружения из других материалов. Бицентричное долото, имея габаритный диаметр D, при бурении образует скважину диметром Dс, который существенно больше диаметра самого долота.
Рисунок 1 Долото бицентричное
Например, при габаритах по диаметру 120 мм долото может быть спущено в скважину через обсадную колонну диаметром 146 мм, а образуемая им скважина будет иметь диаметр D с около 140 мм. Это снижает вероятность прихвата бурильных труб и позволяет улучшить условия спуска и цементирования обсадной колонны или хвостовика, спускаемых в пробуренную бицентричным долотом скважину.
Отечественными производителями разрабатываются, изготавливаются и поставляются расширители различных типов для бурения скважин в различных геолого-технических условиях месторождений.
1. Расширители шарошечные типа РШУ (Рисунок 2), предназначенные для расширения опережающих (пилотных) стволов скважин при их одновременном или раздельном бурении. Расширитель состоит из корпуса 1 и сменных, унифицированных для размерного ряда, породоразрушающих узлов 2, которые крепятся с помощью эксцентричных пальцев 3 и штифтов 4. Корпус расширителя выполнен в виде ствола, имеющего нижнюю и верхнюю присоединительные резьбы, с приваренной к нему короной, которая у расширителей диаметрами 393,7 и 444,5 мм (Рисунок 2, а) цельнофрезерованная, а у расширителей диаметрами 555 и 660 мм (Рисунок 2, б) - сварная из отдельных лап, скрепленных между собой верхним и нижним фланцами. Расширители имеют центральную промывку, но в них предусмотрены гидромониторные узлы, которые могут быть изготовлены по желанию заказчика.
Рисунок 2 Схемы конструкции расширителей типа РШУ ОАО НПО «Буровая техника»: а - диаметром 393,7 и 444,5 мм; б - диаметром 555 и 660 мм; 1 - корпус;
2 - породоразрушающий узел; 3 - эксцентричный палец; 4 – штифт
2. Расширитель типа 6ГШ 393,7/269,9 MCTOX (Рисунок 3) в пятишарошечном исполнении со сменными породоразрушающими узлами 1, с двумя типами вооружения (MC и ТК) и гидромониторными узлами со сменными вольфрамо-карбидными насадками 2 предназначен для ступенчатого бурения скважин диаметром 393,7 мм и опережающего ствола диаметром 269,9 мм в мягких и средней твердости породах и для расширения скважины в твердых и крепких породах. Он успешно испытан практически во всех нефтепромысловых районах страны и является базовой конструкцией при разработке и совершенствовании расширителей других типоразмеров.
Рисунок 3 Схема конструкции расширителя типа 6РШ393,7/269,9 МСТКГ ОАО НПО «Буровая техника»: 1 – шарошечный узел; 2 – гидромониторная насадка
3. Расширители типа РШБ предназначены для проходки стволов большого диаметра при роторном способе бурения скважин на суше и море. Расшифровка их кодов аналогична расшифровке кодов расширителей типа РШУ.
Общий вид расширителя РШБ аналогичен расширителю типа РШУ, приведенному на Рисунке 2, б. Расширители типа РШБ состоят из корпуса, сменных породоразрушающих шарошечных и промывочных узлов. Корпуса представляют собой оригинальную сварную конструкцию из толстолистовой стали. Это исключает применение дефицитных дорогостоящих стальных заготовок диаметром, равным диаметру расширителя, или необходимость использования сложной технологии сваривания обычной конструкционной стали с высоколегированной, обязательной для изготовления ствола корпуса. Сменные породоразрушающие узлы, унифицированные для всего размерного ряда расширителей типа РШБ, имеют шарошки типа МС диаметром 260 мм вместо 190 мм у расширителей типа РШУ и открытые четырехрядные опоры качения с одним замковым и одним упорным шаровым подшипником. По требованию заказчика опоры могут быть выполнены типа ВУ (герметизированные), а шарошки – с вооружением типа СЗ.
Сменные гидромониторные (вольфрамо-карбидные) насадки направлены под углом на шарошки снизу вверх. Для возможности сборки расширителей в гирлянду из двух и более типов на стволе расширителя выполнены замковые присоединительные резьбы: вверху – муфта З-171, внизу – ниппель З-171. Однако тип резьбы может быть выполнен любой по требованию заказчика.
Допустимая осевая нагрузка на расширитель практически не ограничивается, так как может быть до 150 кН на каждый породоразрушающий узел.
4. Расширители бицентричные типа РАБ (Рисунок 4) можно использовать вместо известных раздвижных расширителей для увеличения диаметра скважины до величины, большей проходного диаметра спущенной обсадной колонны, в мягких и средней твердости породах. При этом снижается металлоемкость конструкции скважины за счет возможности уменьшения зазоров между обсадными трубами и их диаметров или появляется возможность спуска одной-двух дополнительных промежуточных колонн и соответственно достижения большей глубины бурения.
Рисунок 4 Схема расширителя бицентричного типа РАБ ОАО НПО «Буровая техника»: Do – диаметр корпуса; Dп – полный диаметр ствола скважины; Dр – диаметр расширителя
В отличие от раздвижных расширителей, которые используются только после бурения опережающего ствола, бицентричные расширители обеспечивают расширение скважины непосредственно при ее углублении с использованием долота меньшего диаметра по сравнению с проходным диаметром обсадной колонны. Кроме того, обеспечиваются существенные технико-экономические преимущества за счет упрощения конструкции скважины, повышения надежности, производительности и ресурса расширителя. Расширитель типа РАБ используется в основном при роторном способе бурения с осевыми нагрузками в 2-3 раза меньшими, чем при использовании для этой цели шарошечных долот того же диаметра. Разделение бицентричного долота на отдельные элементы (опережающее долото и бицентричный расширитель диаметром Dп) обеспечивает их более полную и рациональную отработку за счет возможности комбинирования типов опережающего долота и использования сменных, унифицированных для размерного ряда разных инструментов, породоразрушающих узлов режущего типа, армированных алмазно-твердосплавными пластинами.
5. Расширитель шарошечный ступенчатый типа РШС (Рисунок 5) предназначен для бурения скважин диаметрами 394-490 мм в породах различной твердости, включая крепкие. Расширители используются при расширении предварительно пробуренной пилот-скважины меньшего диаметра, а также при совмещенном бурении пилот-скважины и ее расширении. Расширитель состоит из ствола 1, стандартных боковых шарошек 4, корпуса 2 и обжимного кольца 3. Боковые шарошки соединены с корпусом электросваркой, а между собой - с помощью обжимного кольца. Для бурения мягких, средних, твердых или крепких пород боковые шарошки могут иметь соответствующее вооружение типа М, С, Т или К.
Рисунок 5 Схема расширителя шарошечного ступенчатого типа РШС ОАО НПО «Буровая техника»: 1 – ствол; 2 – корпус; 3 – кольцо обжимное; 4 – шарошки боковые стандартные
ОАО «Волгабурмаш» выпускает расширители нерегулируемого большого диаметра 558,8; 700 и 850 мм. Расширители этого типа применяются для бурения скважин большого диаметра при строительстве каркасных свайных оснований, а также при бурении нефтяных и газовых скважин в северных районах в верхних интервалах разреза, представленных отложениями многолетнемерзлых пород.
В пробуренной скважине интервал глубин расположения многолетнемерзлых пород изолируется с помощью промежуточной теплоизоляционной обсадной колонны, исключающей теплообмен между породой и относительно теплым буровым раствором или добываемым флюидом. Расширители могут быть изготовлены в трех- или четырехшарошечном исполнении с вооружением в виде фрезерованных зубьев или вставных твердосплавных зубков для бурения пород от мягких до твердых абразивных.
1.3. Расширители раздвижные
Раздвижные расширители предназначены для расширения ствола скважины до размеров, превышающих диаметр прохода в ранее спущен¬ной обсадной колонне, с целью:
- уменьшения зазоров между последовательно спускаемыми обсадными колоннами за счет увеличения радиальных зазоров в открытой части ство¬ла до технологически необходимых величин и тем самым упрощения кон¬струкции скважины;
- исправления неправильной формы сечения ствола скважины; надежного и легкого спуска обсадных колонн до проектной отметки и повышения качества их цементирования;
- расширения ствола скважины в зонах залегания неустойчивых пород и зонах осложнений;
- обеспечения возможности установки высококачественных фильтров и др.
Расширители этого типа применяются совместно с механизмами расширения. Они имеют два положения: транспортное (сложенное) и рабочее (раскрытое).
Расширители раздвижные типа РРА (Рисунок 6) предназначены для расширения ствола скважины диаметром D0 до диаметра D, который больше внутреннего диаметра ранее спущенной обсадной колонны. Их можно применять для расширения как ранее пробуренного интервала, так и одновременного бурения и расширения ствола скважины.
Рисунок 6 Общий вид расширителя раздвижного типа РРА ОАО НПО «Буровая техника»: 1 – корпус; 2 – насадка гидромониторная; 3 – манжета; 4 – поршень; 5 – пружина; 6 – резец; 7 – ось; 8 –кольцо уплотнительное
Раздвижной расширитель собирается совместно с деталями вырезающего устройства путем замены корпуса с резцами для резания металла обсадной колонны на корпус с лопастями для разбуривания горных пород. Расширитель соединяется с помощью резьбовых соединений с долотом и бурильной колонной или валом забойного двигателя. При создании перепада давления бурового раствора не менее 1 МПа на сменной насадке 2 поршень 4, герметизированный манжетой 3 и кольцом 8, перемещается в корпусе и поворачивает резцы 6 на осях 7. При вращении расширителя в скважине резцы, разрушая породу, раскрываются до диаметра D и в этом положении упираются в хвостовик поршня для восприятия осевой нагрузки в процессе расширения, а при снятии перепада давления и отрыве расширителя от забоя резцы возвращаются в исходное транспортное положение (D0) пружиной 5.
Расширители шарошечные раздвижные типа РРБ (Рисунок 7) предназначены для расширения ствола скважины до размеров, превышающих диаметр прохода в ранее спущенной обсадной колонне. Расширитель имеет два положения: транспортное (Рисунок 7, а) (сложенное) и рабочее (Рисунок 7, б) (раскрытое). В транспортном положении шарошечные секции удерживаются специальным фиксатором транспортного положения. Расширитель спускают в скважину без клапана, что позволяет промывать скважину при нахождении расширителя в обсадной колонне и сохранении им транспортного положения. Расширитель переводится в рабочее положение в открытом стволе скважины при прокачивании бурового раствора. Для этого в бурильные трубы сбрасывается клапан, при посадке которого в седло возникает перепад давления, действующий на поршень и поднимающий его вверх, освобождая лапы шарошечных секций. Перевод расширителя в транспортное положение происходит автоматически после прекращения подачи бурового раствора.
Рисунок 7 Расширитель шарошечный раздвижной типа РРБ ОАО НПО «Буровая техника»: а – в транспортном положении; б – в рабочем положении
Расширители шарошечные раздвижные типа 4РШ-190/320 (Рисунок 8) предназначены для расширения ствола скважины при роторном бурении. Расширитель состоит из полого цилиндрического корпуса 1, на боковой поверхности которого размещены три раздвижные шарошечные секции 2.
Рисунок 8 Расширитель раздвижной типа 4РШ-190/320 ОАО НПО «Буровая техни¬ка» : 1 – корпус; 2 – шарошечная секция; 3 – насадка; 4 – отражатель; 5 – муфта; 6 – шпонка; 7 – стопорное устройство; 8 – вал
Внутри корпуса размещена система подвижных и неподвижных деталей, обеспечивающих раскрытие шарошек. Передача крутящего момента от бурильной колонны к шарошкам осуществляется через вал 8, шпонку 6, муфту 5 и корпус 1. Для предотвращения самопроизвольного раскрытия шарошечных секций расширитель снабжен стопорным устройством 7, приводимым в действие при создании определенного перепада давления бурового раствора в насадке 3. Для направления потока раствора на шарошки раздвижных секций внутри корпуса имеется отражатель 4. Расширитель устанавливается в компоновке низа бурильной колонны над долотом.
Устройство для бурения и расширения ствола скважины (долотный бур типа ДБ) (Рисунок 9) представляет собой конструкцию, состоящую из траверсы, с которой соединены на резьбе две УБТ соответствующего диаметра. Сверху траверса соединяется с колонной бурильных труб. УБТ по всей длине соединены между собой специальными металлическими грузами, которые удерживают их между собой на определенном расстоянии один от другого.
Рисунок 9 Долотный бур типа ДБ со сфероконическими породоразрушающими секциями ОАО НПО « Буровая техника»: 1 – корпус верхний; 2 – элемент груза; 3 – УБТ (стяжка); 4 – корпус нижний; 5 – гайка секции; 6 – труба промывочная; 7 – накладка калибратора; 8 – насадка гидромо-ниторная; 9 – породоразрушающая секция
В нижней части в соответствии с кинематической схемой обвязки расположено вооружение бура. Разработаны буры для бурения и расширения скважин диаметрами 295, 311, 394, 445, 470, 520, 550 и 660 мм. Применение бура обеспечивает:
- повышение скорости бурения за счет изменения кинематической схемы вооружения в зависимости от физико-механических свойств горных пород и условий их залегания;
- эффективную очистку забоя скважины за счет повышения производительности буровых насосов, так как имеется возможность оптимизировать сечение восходящего потока в затрубном пространстве;
- предотвращение искривления скважины за счет увеличения жесткости параллельно расположенных УБТ;
- предупреждение поглощений бурового раствора и нарушения устойчивости стенок скважины за счет снижения гидравлических
- сопротивлений при выполнении спуско-подъемных операций;
- тщательную калибровку ствола скважины за счет минимального кольцевого зазора между стенкой скважины и параллельно расположенными УБТ.
ОАО « Волгабурмаш» выпускает расширители типа PPM 216/237 (Рисунок 10), которые предназначены только для расширения диаметра скважины с целью установки в образованную нишу в стволе металлического профильного перекрывателя. Pасширители типа PPM оснащены тремя выдвижными режущими секциями, каждая из которых состоит из корпуса плашки, шарошки и основания. Наружная поверхность корпуса плашки и шарошки вооружены твердосплавными породоразрушающими зубками. Cекции расположены равномерно под углом 120 ° по периметру корпуса в пазах с наклонными направляющими, по которым плашки с шарошками выдвигаются за периметр корпуса гидравлическими толкателями до максимального диаметра – рабочего состояния. Приводом для гидравлических толкателей является буровой раствор, подаваемый насосом на поршень, встроенный в корпус расширителя. Возврат секций в транспортное положение осуществляется усилием пружин, также установленных в корпусе расширителя и срабатывающих после прекращения подачи давления бурового раствора. Шарошки установлены на опорах скольжения. По мере износа твердосплавного вооружения они легко заменяются на новые.
Рисунок 10 Общий вид расширителя раздвижного типа РРМ 216/237 ОАО «Волгабурмаш»
НПП «Азимут» выпускает расширители раздвижные гидравлические типа РРГ (Рисунок 11), предназначенные для увеличения диаметра ствола скважины в любом интервале. Они применяются для расширения диаметра боковых стволов из ранее пробуренных обсаженных скважин, а также для расширения ствола в продуктивном интервале пласта с целью увеличения дебита скважины. В скважину расширитель спускается в транспортном положении. Вывод резцов в рабочее положение осуществляется под действием перепада давления в корпусе расширителя.
Рисунок 11 Расширитель раздвижной гидравлический типа РРГ НПП « Азимут»
В ОАО «Татнефть» освоен выпуск гидравлических расширителей типа РГ-3 (Рисунок 12), предназначенных для расширения интервалов ствола перед установкой в скважине металлических профильных перекрывателей с целью ликвидации зон поглощений буровых растворов и других осложнений.
Рисунок 12 Расширитель раздвижной типа РГ-3 конструкции ТатНИИ: 1 - переводник; 2 - поршень; 3 - толкатель; 4 - пружина; 5 - корпус расширителя; 6 - серьга; 7 - палец; 8 - лапа с шарошкой; 9 - направляющий патрубок; 10 - кольцо
Расширитель РГ-3 состоит из трех лап 8 с шарошками, приваренными к серьгам 6, которые подвешены на пальцах 7 к корпусу 5. Раскрытие лап с шарошками осуществляется при движении толкателя 3 за счет перепада давления, возникающего под поршнем 2 при закачке бурового раствора в бурильные трубы. В первоначальное положение толкатель возвращается пружиной 4. В нижней части расширителя предусмотрен патрубок 9 с кольцом 10 для улавливания шарошек в случае их сползания с цапф. Патрубок одновременно является центратором расширителя.
1.4. Обзор расширителя RIPTIDE™ компании Weatherford
Первым расширителем, активирующимся в скважине с применением метода радиочастотных меток – RipTide™ компании Weatherford, который включает в себя весь опыт эффективного конструирования расширителей различных типов.
Высокопроизводительный буровой расширитель RipTide компании Weatherford позволяет операторам расширять ствол скважины до 25% от диаметра долота в процессе бурения. К особым областям применения относятся: расширение существующих направляющих стволов, расширение ствола в процессе бурения с применением роторных управляемых устройств и расширение ствола ниже обсадной колонны при существующих ограничениях.
