Материал: Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

Совершенно в иных условиях работают трехшарошечные долота в наклонных скважинах. В этом случае вследствие действия откло­ няющей силы условия работы опор шарошек становятся более тя­ желыми.

М. П. Гулнзаде [28] указывает, что наличие отклоняющей силы в зависимости от местонахождения шарошки во время вращения вызывает дополнительную, переменную как по направлению, так и по величине силу. Поэтому шарошки каждый оборот долота рабо­ тают в различных условиях.

Рассмотрим специфику условий работы шарошек долота при бу­ рении наклонных скважин, когда на нее действует отклоняющая сила. Заметим, что направление последней в процессе бурения ос­ тается неизменным. Поэтому действие силы реакции стенки на ша­ рошку будет зависеть от положения шарошки во время вращения долота относительно направления отклоняющей силы, т. е. угла <р между проекцией оси шарошки на плоскость, перпендикулярную оси долота, и направлением отклоняющей силы.

Забой наклонной скважины может быть разделен на два уча­ стка: I участок соответствует изменению угла ф в пределах 04-90 и 2704-360°, где происходит фрезерование стенки ствола под дейст­ вием отклоняющей силы; II участок соответствует изменению угла Ф в пределах 904-270°, где происходит калибровка, как в вертикаль­ ном стволе.

Распределение отклоняющей силы между шарошками долота зависит от условий его работы.

В процессе запуска турбобура, когда долото еще не касается за ­ боя скважины, а также при зарезке и бурении вторым стволом, ко­ гда поддерживается «мертвая точка» и повторно фрезеруют стенки ствола, реакции от отклоняющей силы передаются шарошкам лишь на I участке. Причем в зоне изменения угла ср в пределах О-г-ЗО и 330-=-360° эта сила полностью передается одной шарошке, а в зоне изменения угла ф в пределах 304-90 и 2704-330° она распределяется между двумя шарошками. Если же шарошка находится во II уча­ стке (ф = 904-270°), то па нее указанная сила не действует.

В процессе бурения, когда долото подвергается действию осевой нагрузки и отклоняющей силы, реакция от последней передается всем трем шарошкам. Причем, когда шарошка находится на I уча­ стке, то часть отклоняющей силы передается ей за счет реакции от стенки ствола, поэтому она направлена от периферии к центру до­ лота. Если ее величина будет превышать осевую составляющую от нагрузки на шарошку, то шарошка будет отжиматься от стенки ствола к центру долота. В случае нахождения шарошки на II уча­ стке, часть отклоняющей силы передается ей в результате реакции от забоя скважины, поэтому она направлена от центра долота к пе­ риферии. Тогда указанная сила совместно с осевой составляющей от нагрузки на долото прижимает шарошку к стенке ствола. Если после разрушения забоя долото будет поддерживаться в прежнем положении с целью интенсивного искривления ствола, то при этом

78

увеличится отклоняющая сила, действующая па шарошку на I уча­ стке, будет иметь место случай работы шарошки при поддержании мертвой точки. Следовательно, для некоторого облегчения условий работы опор шарошек в наклонных скважинах следует время под­ держания их во вращающемся состоянии над забоем свести к ми­ нимуму, причем так, чтобы величина отклоняющей силы на шарошке не превышала величины осевой составляющей от нагрузки на ша­ рошку.

Врезультате различных условий работы шарошек долота на I

пII участках осевая составляющая, которую в основном восприни­ мает шаровая опора, становится знакопеременной и шарошки за ка­ ждый оборот долота то прижимаются к стенке скважины, то отжи­ маются от нее. При этом происходит качка шарошек относительно цапфы.

Такое периодическое изменение положения шарошек долота от­ носительно цапфы, т. е. их качка и циклическое прижатие к стенке и отжатие от нее, повторяющиеся пропорционально числу оборотов долота, приводит к следующим отрицательным явлениям: а) ухуд­ шаются условия работы шаровой опоры долота и интенсивно уве­ личивается осевой люфт, что в дальнейшем сказывается на стойко­ сти опоры всей шарошки; б) нарушается ориентация периферийных и внутренних роликов относительно беговых дорожек цапфы и ша­ рошки и они контактируют не по образующим роликов, а по углам торцевых поверхностей, что приводит к неравномерному износу и преждевременному выходу их из строя; в) рост износа вооружения шарошек вследствие скольжения их по забою в осевом направле­

нии; г) отжатие шарошек от стенки скважины, увеличивающееся с ростом осевого и радиального люфтов, плюс более интенсивный износ тыльной части периферийных зубьев в зоне фрезерования стенки, приводящий к уменьшению фактического завеса шарошек. Это снижает боковую фрезерующую способность долота и увеличи­ вает интенсивность трения козырьков лап со стенкой скважины, что может привести к их износу и слому.

На основании изложенного, можно представить, что в процессе бурения наклонной скважины трехшарошечное долото будет со­ стоять как бы из двух частей с различными радиусами: на I участке за счет отжатия шарошек от стенки ствола оно будет иметь меньший радиус /ц, который в процессе работы будет уменьшаться вследст­ вие износа тыльной части периферийных зубьев Дi, радиального Ар и осевого Д0 люфтов шарошек; а во II участке, ввиду прижатия ша­ рошек к стенке скважины, долото будет иметь больший радиус г2, который в процессе работы его будет уменьшаться только в резуль­ тате износа тыльной части периферийных зубьев Ai и радиального люфта шарошек Др, т. е.

где г — радиус нового долота.

79

Ввиду того что для выпускаемых трехшарошечных долот угол а изменяется в пределах 50-Э57030' sin a > c o s a . Кроме того, замеры показывают, что у отработанных долот в большинстве случаев До>. > Д Р. Поэтому влияние До на снижение боковой фрезерующей спо­ собности долот больше, чем влияние Др. Текущее значение завеса шарошек в зоне фрезерования представится в виде

Если

Д1 —(- Др COS сс -ф-Aqsin a 8,

то бг > 0 и долото сохраняет способность фрезеровать стенку ствола и интенсивно искривлять скважину. Если же

Д! + Д р COS a-j~A0sin a ^ 3,

то S i^ O н долото не может фрезеровать стенку ствола. В этом слу­ чае углубление ствола возможно в мягких и средних породах, но ис­ кривление ствола может произойти только в результате асиммет­ ричного разрушения забоя.

Снижение боковой фрезерующей способности трехшарошечных долот в процессе бурения является одной из основных причин пере­ менности приращения искривления ствола на единицу метра про­ ходки за рейс. Облегчение условий работы и повышение стойкости трехшарошечных долот при бурении наклонных скважин могут быть достигнуты как техническими, так и технологическими мероприя­ тиями. К техническим мероприятиям относятся: увеличение калиб­ рующей и боковой фрезерующей способности долота, повышение завеса шарошек, армировка козырьков лап твердым сплавом, при­ менение трехшарошечных долот с шаровыми опорами и т. д. Тех­ нологические мероприятия следующие: использование стабилиза­ торов кривизны и азимута при работе с использованием прямой трубы; применение отклонителей, работающих на принципе асим­ метричного разрушения забоя в тех случаях, когда это возможно; использование различных присадков к промывочным растворам, снижающих износ элементов опоры долота; рациональный выбор трехшарошечных долот с учетом их конструктивных особенностей и целей предстоящего рейса; плавная подача инструмента и со­ кращение времени работы долота над забоем и т. д.

Влияние завеса шарошек долота на интенсивность искривления скважины

В процессе работы трехшарошечного долота его боковая фрезе­ рующая способность снижается в результате потери диаметра до­ лота вследствие износа элементов опоры и вооружения. Это приво­ дит к уменьшению интенсивности искривления скважины.

При бурении с отклонителем уменьшение калибрующего диа­ метра трехшарошечных долот будет влиять на интенсивность ис­ кривления ствола скважины двояко.

80

1. Когда интенсивность искривления ствола ограничивается корпусом турбобура, она будет снижаться от непосредственного уменьшения калибрующего диаметра трехшарошечного долота. В этом случае возможная интенсивность искривления ствола будет характеризоваться расчетной формулой (17). Она будет справедли­ вой до определенного значения завеса шарошек.

2. Вследствие дальнейшего уменьшения калибрующего диа­ метра трехшарошечных долот роль ограничивающего фактора ис­ кривления скважины играет корпус не турбобура, а трехшарошеч­ ного долота.

Изложенное подтверждается практикой проходки наклонных скважин. Выше на основе анализа было показано, что интенсив­ ность искривления ствола к концу рейса резко снижается и вели­ чина ее значительно меньше среднего значения.

Рассмотрим, какова интенсивность искривления ствола, ограни­ чиваемого корпусом долота, и при каких условиях справедлива рас­ четная формула (17).

Очевидно, что процесс искривления ствола будет зависеть от боковых фрезерующих способностей трехшарошечного долота и системы долото—турбобур. Первая характеризуется утлом %, а вто­ рая — углом 0, определямым из выражения

Для частного случая, когда отсутствует уширение ствола

В зависимости от сочетания указанных углов возможны сле­ дующие случаи:

I. Х > 0 ; И. Х =0; III. Х < 0 .

В первом случае боковая фрезерующая способность трехшаро­ шечного долота выше боковой фрезерующей способности системы долото—турбобур, поэтому процесс искривления ствола при доста­ точной величине отклоняющей силы будет протекать с макси­ мально возможной интенсивностью искривления для данной откло­ няющей компоновки и ограничиваться корпусом турбобура. Верх­ няя стенка ствола, в направлении которой искривляется скважина, будет касаться только корпуса турбобура. Для этого случая фор­ мула (17) справедлива и по ней можно определить величину воз­ можной интенсивности искривления скважины.

Во втором случае боковые фрезерующие способности трехшаро­ шечного долота и системы долото—турбобур одинаковы. Интенсив­ ность искривления ствола при этом также будет максимально воз­ можной и расчетная формула (17) справедлива для определения ее величины. В процессе искривления ствола верхняя стенка скважины