Спосіб спряження криволінійних секцій траєкторій похило-скерованих свердловин, що мінімізує сили опору руху колони

Реферат: Спосіб спряження криволінійних секцій траєкторій похило-скерованих свердловин, що мінімізує сили опору руху колони у свердловині, яка має заданий або реалізований при бурінні геометричний обрис у вигляді комбінації її прямолінійних і криволінійних секцій різної кривини. Розрив кривини осі свердловини згладжують шляхом вставки в точці сполучення малої проміжної ділянки в формі кубічної параболи, такої, що на одному її кінці його радіус кривини збігається з радіусом кривини першої секції, що сполучається, а на другому кінці його радіус кривини збігається з радіусом кривини другої секції. UA 116210 U (12) UA 116210 U UA 116210 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до області буріння глибоких нафтових і газових похилих і горизонтальних свердловин, складених із сегментів різної кривини. Відомо [1], що задачі проектування траєкторій скерованих свердловин проводяться на основі геометричного аналізу обрисів таких свердловин без вичерпного врахування механічних аспектів, супутніх цій процедурі. На практиці, як правило, проектування криволінійних свердловин здійснюється методом мінімальної кривини [1], відповідно до якого траєкторія свердловини представляється у вигляді комбінації декількох прямолінійних секцій, з'єднаних один з одним дугами кіл так, що кут нахилу дотичної до осі свердловини змінюється безперервно (секції АВ, ВС і CD на фіг. 1). Недоліком способу з'єднання секторів свердловини методом мінімальної кривини є те, що при цьому кривина (тобто радіус кривини і пружний згинальний момент в колоні) траєкторії виявляється розривною функцією, яка призводить до збільшення сил контакту між колоною і стінкою свердловини. Польовими спостереженнями було встановлено, що геометрія свердловини істотно впливає на сили тертя, що діють на бурильну колону при її русі. Як правило, ці сили визначають максимальне горизонтальне подовження свердловини, яке може бути досягнуте без прихоплення колони або її поперечного випинання. Тому проблемі зменшення сил тертя за рахунок вибору раціональної геометрії свердловини приділяється велика увага. Щоб оцінити ці ефекти були розроблені математичні моделі і програмні комплекси, за допомогою яких проводилися розрахунки сил тертя і опору. Однак ці моделі були створені за спрощеними схемами, заснованими на гіпотезах, які передбачають, що бурильна колона є гнучкою ниткою, що не має згинальної жорсткості. Такі гіпотези дозволяють спростити розрахунки, але вони прийнятні тільки для траєкторій з кривиною, що плавно змінюється, і призводять до помітних похибок при використанні методу мінімальної кривини для реальних бурильних колон в місцях сполучення секцій свердловин з розривами геометрії. Однак невраховані за допомогою таких моделей сили тертя і опору призводять до наступних негативних ефектів - вони призводять до погіршення рухливості бурильної колони в свердловині і зниження провідності крутних моментів від верхнього приводного пристрою до долота на дні свердловини; - вони призводять до збільшення стискаючих осьових сил в бурильній колоні, що сприяють її як локальному, так і глобальному випинанню; - вони сприяють зносу труб бурильних колон; - вони призводять до збільшення енерговитрат на процес буріння; - вони можуть призвести до прихоплення бурильної колони. Проілюструємо відмічені ефекти на прикладі складової колони ABCD (фіг. 1). Вона складається з двох прямолінійних сегментів АВ і CD та однієї секції ВС в формі дуги кола. Щоб вивчити сили, що діють на колону, введемо координатний параметр s, який визначається довжиною осьової лінії свердловини від деякої початкової точки до поточної. З його допомогою можна підрахувати згинальний момент у всіх точках осі бурильної колони (БК) і, особливо, в секції ВС (фіг. 2). Оскільки геометрія колони задана, внутрішній згинальний момент M(s) і зовнішні розподілені (локалізовані) контактні сили можуть бути легко підраховані. Дійсно, внутрішній згинальний момент M(s) визначається формулою s    k   / R , 45 50 де  - модуль пружності матеріалу труби колони,  - момент інерції перерізу колони, k - її кривина, R - радіус кривини. У зв'язку з цим внутрішній згинальний момент M(s) дорівнює нулю на прямолінійних сегментах АВ і CD і залишається сталим M(s) = EI/R всередині дуги ВС. Графік цієї функції представлений на фіг. 3. З використанням формули Fs  d s / ds 55 (1) (2) для внутрішньої перерізуючої сили F(s) можна зробити висновок, що вона дорівнює нулю на всьому відрізку AD, крім точок сполучення В і С, де вона приймає нескінченно великі значення, так як функція M(s) є розривною. І далі з використанням рівняння пружної рівноваги елемента труби 1 UA 116210 U dFs  / ds   f конт s  , (3) де f конт s - зовнішня розподілена контактна сила, можна знову зробити висновок, що 5 f конт s всюди є рівною нулю, за винятком точок сполучення В і С, де вона теж прямує до нескінченності, так як розривною є функція внутрішньої перерізуючої сили F(s). Використовуючи ці прості диференціальні викладки, можна прийти до висновку, що конфігурація колони всередині каналу свердловини, представлена на фіг. 2, може бути утворена тільки системою силових впливів у формі зосереджених згинальних моментів, прикладених у точках В і С (фіг. 4). Але в свою чергу, кожен зовнішній згинальний момент М може бути викликаний тільки парою зовнішніх контактних сил Q з плечима h (фіг. 5) 10 M=Q•h. (4) У реальності кожна з цих сил не є зосередженою, завдяки пружній піддатливості скельної 15 породи і може бути представлена як результуюча контактних розподілених сил f конт s (фіг. 6). Очевидно, що чим менше отвір між стінкою свердловини і бурильної колоною, тим менше плече h і, згідно з рівностями (3), (4), тим більше контактна сила Q і контактна розподілена сила f конт s . У зв'язку з їх збільшенням при протягуванні колони в свердловині збільшуються сили 20 25 30 35 40 45 тертя f mep s , а тому зменшується сила, що діє на долото, стає можливим випинання колони і її прихоплення, збільшується швидкість зношування труби колони і т.д. З огляду на ці доводи, можна зробити висновок, що поєднання двох ділянок труб з різними кривинами може привести до збільшення сил контактної і фрикційної взаємодії та зменшення рухливості колони. Недоліком способу з'єднання секторів свердловини в формі спіралі Корню є складність її геометрії та алгоритмів реалізації проектних розробок на практиці. Найближчим аналогом є спосіб спряження окремих секцій траєкторії свердловини, яка має заданий або реалізований при бурінні геометричний обрис у вигляді комбінації її прямолінійних і криволінійних секцій різної кривини, в якому в місці їх з'єднання вставляється криволінійна ділянка в формі спіралі Корню [2]. В основу корисної моделі поставлена задача зменшення сил контактної взаємодії між бурильною колоною і стінкою свердловини в місці сполучення суміжних секцій, супутнє зменшення сил опору (тертя) руху бурильної колони в свердловині, зниження рівня згинальних напружень в бурильній колоні, зменшення зносу труб бурильної колони при її протягуванні й обертанні та зниження енерговитрат при виконанні спуско-підйомних операцій. Поставлена задача вирішується тим, що розрив кривини осі свердловини згладжують шляхом вставки в точці сполучення малої проміжної ділянки в формі кубічної параболи, такої, що на одному її кінці його радіус кривини збігається з радіусом кривини першої секції, що сполучається, а на другому кінці його радіус кривини збігається з радіусом кривини другої секції. Згладжування розриву кривини осі свердловини здійснюється шляхом введення в точках В і С малих перехідних ділянок свердловини з геометрією кубічної параболи, в якій при малій довжині радіус кривини змінюється майже лінійно (фіг. 7). У цьому випадку графік, представлений на фіг. 3, представляє форму, дану на фіг. 8 а. Після введення ділянок В'В" і С'С функція внутрішнього згинального моменту M(s) стала неперервною, але в точках В', В", С' і С" вона є ламаною. Тому відповідно до рівності (2) внутрішня перерізуюча сила F(s) відрізняється від нуля тільки на перехідних гіперболічних ділянках В'В" і С'С" (фіг. 8 б), в той час як зовнішня розподілена контактна сила f конт s (відповідно до рівності (3)) є нульовою всюди, крім точок В', В", С' і С", де вона є розривною. Ця розривність може бути пов'язана тільки з зовнішньою розподіленою контактною силою f конт s і результуючою Q. Але в цій ситуації відстань між перерізуючими силами Q (фіг. 6) приблизно дорівнює довжині кубічної параболи В'В", яка не є малою і тому контактна сила f конт s , 50 фрикційна сила f mep s і перерізуюча сила Q вже не є великими. Кубічна парабола є найпростішою кривою, кривина якої на малих відрізках змінюється лінійно. Дійсно, її рівняння в параметричній формі має вигляд 3 x=bs , z=s, (5) 2 UA 116210 U де х, z - є координати кривої осі бурильної колони, b - числовий коефіцієнт. Тоді її кривина підраховується так (довідник з математики) 5 k x 2  x   z   z2  x 2  z2  x x   zz2 2 23 , (6) де штрихом позначено диференціювання по параметру s. Підставляючи (5) в (6), можна отримати   2  k  6bs / 1  3bs 2    3/2 . (7) 10 2 2 Якщо вибрано коротку ділянку кривої, то (3bs )