На правах рукописи УДК 622.24ШАТРОВСКИЙ АНТОН ГЕОРГИЕВИЧРАЗРАБОТКА МНОГОСЕКЦИОННЫХ КОМПОНОВОК НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ ПРОВОДКИ НАКЛОННЫХ ИНТЕРВАЛОВ СКВАЖИНЫСпециальность: 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважинАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степени кандидата технических наукУхта – 2010 Диссертационная работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина. ^ Научный руководитель: доктор технических наукПовалихин Александр Степанович Официальные оппоненты: доктор технических наук^ Близнюков Владимир Юрьевичкандидат технических наук, доцентЛогачёв Юрий Леонидович ^ Ведущее предприятие: ООО «Газпром бурение» (Буровая компания Открытого акционерного общества «Газпром») Защита состоится «22» апреля 2010 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.291.01 при Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета. Автореферат размещен на сайте Ухтинского государственного технического университета www.ugtu.net в разделе «Диссертационный совет» Автореферат разослан «20» марта 2010 г. ^ Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наук, профессор Н.М. Уляшёва ^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Освоение нефтяных и газовых месторождений, расположенных на морском шельфе, на природоохранных и в труднодоступных для обустройства буровых площадок территориях осуществляется с применением направленных скважин, профиль которых включает наклонно прямолинейный интервал большой протяжённости. Существующая технология проводки наклонных интервалов профиля скважины основана на использовании отклоняющей силы на долоте и реализуется с помощью различных компоновок низа бурильной колонны (КНБК). В процессе бурения наклонно прямолинейного интервала профиля на границах литологических зон, в неустойчивых горных породах ствол скважины отклоняется от проектной траектории бурения, что приводит к необходимости периодического или постоянного корректирования профиля скважины. В интервалах корректирования формируются локальные искривления ствола, кривизна которых может быть значительно выше допустимых значений. Локальные искривления ствола приводят к образованию в стенке скважины желобных выработок, которые увеличивают риски в процессе бурения и при спуске обсадных колонн большого диаметра. При использовании КНБК с параметрами, при которых отклоняющая сила на долоте равна нулю, а ось совпадает с проектной траекторией бурения, горная порода разрушается в направлении оси долота, что создаёт оптимальные условия для работы породоразрушающего инструмента и повышает точность выполнения проектного профиля. В процессе бурения баланс сил, действующих на КНБК, может измениться, что приведёт к нарушению заданных условий работы долота и отклонению траектории бурения от проектного профиля. Повышение надёжности работы КНБК позволит свести к минимуму интервалы корректирования профиля, что особенно важно при проводке скважин с большим и сверхбольшим смещением забоя в связи с высокими требованиями к качеству ствола наклонно прямолинейного интервала профиля таких скважин. Создание научно-обоснованной методики проектирования КНБК, предназначенных для бурения прямолинейных интервалов с большими углами наклона в сложных горно-геологических условиях, приобретает особую актуальность в связи с освоением нефтегазовых месторождений на морском шельфе.Цель работы. Повышение точности выполнения проектной траектории бурения и качества ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин в сложных горно-геологических условиях за счёт увеличения надёжности работы многосекционных КНБК.Основные задачи исследования Анализ влияния горно-геологических и технико-технологических факторов на формирование наклонного интервала профиля при бурении КНБК с опорно-центрирующими элементами (ОЦЭ). Анализ существующих методик расчёта и проектирования КНБК для роторного способа бурения и бурения забойными двигателями. Разработка аналитической модели и методики расчёта оптимальных параметров КНБК с разной жёсткостью секций. Исследование надёжности работы КНБК с оптимальными размерами в процессе бурения при изменении диаметра ОЦЭ, увеличении диаметра ствола скважины и наличии слоя шлама в скважине. Разработка методики проектирования КНБК с оптимальными размерами для бурения наклонных участков профиля скважин с большим смещением забоя и горизонтальных скважин в условиях влияния доминирующих геолого-технологических факторов. Разработка критерия, определяющего область преимущественного применения результатов исследований на стадии проектирования профиля скважины, КНБК и технологии бурения. Промысловое применение КНБК с разной жёсткостью секций при бурении направленных скважин в сложных горно-геологических условиях.Научная новизна Разработан и научно обоснован метод оптимизации КНБК с разной жёсткостью секций, позволяющий определить линейные размеры многосекционной КНБК, при которых для заданных значений зенитного угла, кривизны ствола скважины и осевой нагрузки на долото отклоняющая сила и угол перекоса долота в скважине равны нулю. Установлены закономерности влияния абразивного износа ОЦЭ, шлама на нижней стенке скважины и эрозионного увеличения диаметра ствола скважины на надёжность работы КНБК с оптимальными размерами по выполнению проектной траектории бурения. Установлено, что при одновременном износе диаметра опорно-центрирующих элементов и накоплении шлама в затрубном пространстве, надёжность работы КНБК, включающей не менее двух ОЦЭ, увеличивается. Разработан показатель класса субгоризонтальных скважин, учитывающий силы сопротивления при перемещении колонны труб в стволе скважины, вид и параметры проектного профиля скважины.Методы решения поставленных задач Для решения поставленных задач использовались методы теории упругости, теоретической механики, вычислительной математики и программирования, проведение и анализ результатов промысловых испытаний и исследований. Практическая значимость работы Результаты работы являются методико-математической основой программного обеспечения ЭВМ, предназначенного для расчёта диаметра и места установки опорно-центрирующих элементов в КНБК для проводки наклонных и горизонтальных интервалов профиля скважин. Показатель класса субгоризонтальных скважин позволяет на стадии проектирования профиля определить технологию бурения и комплекс необходимых для строительства скважины технических средств, обеспечивающих высокое качество ствола и надёжность крепи. Результаты работы были использованы при проектировании КНБК с разной жёсткостью секций на основе гидравлических забойных двигателей и УБТ, предназначенных для бурения наклонных интервалов профиля скважины в сложных горно-геологических условиях.Защищаемые положения Критерием оптимизации размеров КНБК для бурения наклонных интервалов профиля скважины являются условия взаимодействия долота с забоем ствола, при которых отклоняющая сила и угол перекоса долота равны нулю. Расчёт оптимальных размеров многосекционной КНБК, нагруженной продольными и поперечными распределёнными и сосредоточенными силами, необходимо осуществлять с учётом упругого взаимодействия секций между собой и с искривленным или прямолинейным стволом скважины. Выбор варианта расчётных параметров КНБК с оптимальными размерами производится на основе анализа надёжности её работы на проектной траектории бурения в условиях влияния доминирующих дестабилизирующих геолого-технологических факторов. Для повышения надёжности работы на проектной траектории бурения в условиях комплексного влияния дестабилизирующих факторов КНБК должна включать не менее двух опорно-центрирующих элементов. Показатель класса субгоризонтальных скважин должен учитывать силы трения колонны труб о стенки ствола скважины, длину вертикального интервала и вид проектного профиля, определяя тем самым технологию бурения скважины и необходимые для её реализации технические средства.Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: – 7-я всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности», г. Москва, 2007 г.; – научно-техническая конференция преподавателей и сотрудников УГТУ, секция «Бурение нефтяных и газовых скважин», г. Ухта, 2008 г.; – 32-я конференция Ассоциации Буровых Подрядчиков «Обеспечение технологической и экологической безопасности строительства скважин на суше и на море», г. Москва, 2008 г.; – 5-й Международный семинар «Горизонтальные скважины», г. Москва, 2008 г.; – научно-техническая конференция преподавателей и сотрудников УГТУ, секция «Бурение нефтяных и газовых скважин», г. Ухта, 2009 г. – 33-я конференция Ассоциации Буровых Подрядчиков «Инновационные технологии в строительстве нефтяных и газовых скважин», г. Москва, 2009 г. – 8-я Всероссийская конференция молодых учёных, специалистов и сотрудников «Новые технологии в газовой промышленности», г. Москва, 2009 г.Публикации. Результаты исследований опубликованы в 16 печатных работах, включая 3 работы в изданиях, вошедших в Перечень ВАК.Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 109 наименований. Содержание диссертации изложено на 84 страницах машинописного текста, включает 90 рисунков и 16 таблиц. Автор благодарит сотрудников кафедры бурения нефтяных и газовых скважин РГУ нефти и газа д.т.н., профессора С.Л. Симонянца, д.т.н., профессора В.В. Кульчицкого, заведующего кафедрой д.т.н., профессора О.К. Ангелопуло. Искреннюю признательность автор выражает д.т.н., профессору В.И. Крылову за помощь и ценные советы при работе над диссертацией. Автор считает своим долгом поблагодарить учёных ОАО НПО «Буровая техника» д.т.н., профессора Г.С. Оганова, д.т.н., профессора А.М. Гусмана, д.т.н., профессора С.А. Ширин-Заде, к.т.н. В.В. Прохоренко за советы, высказанные в ходе обсуждения основных положений диссертационной работы. За поддержку и ценные замечания автор благодарит профессора Н.М. Уляшеву и других сотрудников кафедры бурения Ухтинского государственного технического университета. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. А.С. Повалихину за постоянную помощь в постановке и решении задач исследований по теме диссертации.^ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении изложены актуальность темы диссертации, цель работы, основные задачи и методы исследований, научная новизна и защищаемые положения.^ В первом разделе проведён критический анализ известных моделей расчёта параметров КНБК, приводится методика расчёта оптимальных размеров КНБК с разной жёсткостью секций. Исследованию вопросов проводки ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин по проектной траектории бурения, посвящены работы: П.В. Балицкого, И.Л. Барского, В.В. Безумова, В.М. Беляева, В.О. Белоруссова, В.Ю. Близнюкова, А.С. Бронзова, В.Ф. Буслаева, Ю.С. Васильева, М.И. Ворожбитова, Я.А. Гельфгата, А.М. Григоряна, Н.А. Григоряна, В.Д. Григулецкого, М.П. Гулизаде, М.Т. Гусмана, Е.Г. Гречина, С.Н. Бастрикова, Г.Г. Зарипова, Ю.Р. Иоанесяна, Р.А. Иоаннесяна, В.В. Кульчицкого, Н.Ф. Кагарманова, А.Г. Калинина, Л.Я. Кауфмана, В.И. Крылова, О.А. Маркова, В.Г. Лукьянова, А.З. Левицкого, С.А. Оганова, А.С. Оганова, Г.С. Оганова, А.С. Повалихина, В.В. Прохоренко, В.Д. Поташникова, О.К. Рогачева, Г.Г. Семака, К.М. Солодкого, С.В. Соломенникова, С.С. Сулакшина, Б.З. Султанова, Л.Я. Сушона, А.Ф. Федорова, С.А. Ширин-Заде и целого ряда других авторов. Данная работа является развитием школы направленного бурения ВНИИБТ, создателями и научными руководителями которой в разное время являлись Ю.С. Васильев, А.С. Бронзов, А.Г. Калинин, А.М. Григорян, Я.А. Гельфгат, К.М. Солодкий, А.С. Оганов, Г.С. Оганов, А.С. Повалихин. Особенность научного подхода ВНИИБТ при решении задач направленного бурения заключается в том, что основной целью разрабатываемых технико-технологических решений является точное и качественное выполнение проектного профиля скважины, параметры которого определяются условиями достижения максимального дебита скважины и нефтеотдачи пласта. В известных исследованиях можно выделить два разных подхода к расчёту параметров КНБК для выполнения проектного профиля, отличающихся механизмом формирования траектории бурения: - искривление ствола скважины за счёт отклоняющей силы на долоте; - проводка ствола при асимметричном разрушении забоя долотом. В последнем случае в процессе бурения прямолинейных и искривленных интервалов профиля долото разрушает забой скважины только в направлении своей оси, что является оптимальным режимом его работы. В работах учёных ВНИИБТ (А.Г. Калинин, А.Ф. Фёдоров, К.М. Солодкий, А.С. Повалихин) получено общее решение задачи по определению оптимальных размеров стабилизирующих и искривляющих КНБК, при которых отклоняющая сила на долоте и угол его перекоса равны нулю. Решение было получено для компоновок на основе многосекционных турбобуров и для роторного бурения, где часть КНБК от долота до точки касания стенки скважины УБТ или турбобуром имеет один диаметр, жесткость и удельный вес по всей длине. В настоящее время для бурения наклонных и горизонтальных скважин применяют многосекционные КНБК, включающие короткие гидравлические забойные двигатели (ГЗД), телесистемы (ТС), различные элементы технологической оснастки низа бурильной колонны. В связи с этим известное решение не может быть использовано для расчёта КНБК, каждая секция которой имеет разный диаметр, жёсткость и вес единицы длины. В расчетной схеме, учитывающей конструктивные особенности современных КНБК с опорно-центрирующими элементами, приняты следующие допущения (рис.1): - форма изгиба оси КНБК плоская; - ось ствола скважины прямолинейная или является дугой окружности; - КНБК нагружена продольными и поперечными распределенными и сосредоточенными силами; - долото является шарнирной опорой, а ОЦЭ – точечными опорами; - каждая секция КНБК имеет различную жесткость на изгиб, диаметр и вес единицы длины. Под секцией понимается участок КНБК, имеющий одинаковый диаметр, удельный вес и жёсткость по всей длине. На концах секции могут быть расположены ОЦЭ, нижняя секция КНБК является направляющим участком.^ Рис. 1. Расчетная схема разножесткостной КНБК с тремя ОЦЭ Для каждого участка КНБК уравнение поперечных сил имеет вид: (1) (2) (3) (4) Граничные и сопряжено-граничные условия на каждой опоре имеют вид: 1) при x = 0 2) при x = l 3) при x = l + l1 4) при x = l + l1 + l2 5) при x = l + l1 + l2 + lC Ниже записаны значения символов и коэффициентов, входящих в уравнения. – жёсткость на изгиб секций КНБК, кН·м2; q; q1; q2; q3 – вес одного метра секций КНБК, кН/м; l, l1, l2, lC – длина секций КНБК в безразмерной форме; h1, h2, h3 – безразмерные аналоги опорных реакций на ОЦЭ. r – безразмерный радиальный зазор; k – безразмерный радиус кривизны ствола скважины;lC – безразмерное расстояние от верхнего ОЦЭ до точки касания бурильной колонной стенки ствола скважины; S – идентификатор кривизны ствола скважины (S=-1 – увеличение зенитного угла; S=1 – уменьшение зенитного угла; S=0 – стабилизация зенитного угла). Дифференциальные уравнения, записанные для каждой секции, решаются численным методом с учётом граничных условий. Для этого искомая функция Y разлагается в ряд Тейлора вокруг начальной точки каждой секции КНБК. Полученная система уравнений решается относительно неизвестных опорных реакций и линейных размеров КНБК. При решении системы уравнений (1)-(4) определяются основные размеры КНБК, соответствующие заданным условиям на долоте, а также значение и направление реакций стенки ствола скважины на каждом ОЦЭ, прогиб, угол поворота, изгибающий момент и поперечная сила в сечении КНБК. С помощью описанной модели в диссертационной работе решена задача определения размеров многосекционных КНБК, обеспечивающих оптимальные условия работы долота. Полученные варианты расчётных размеров КНБК использовались для аналитических исследований надёжности их работы при реализации проектной траектории бурения.^ Во втором разделе определён показатель класса субгоризонтальных скважин. Преимущественной областью применения компоновок с оптимальными размерами являются субгоризонтальные скважины, проводка которых осуществляется по технологии горизонтального бурения. При этом принимается, что коэффициент отклонения таких скважин должен быть больше 3 независимо от величины смещения проектного забоя от вертикали. Коэффициент отклонения, как это следует из его определения, не учитывает вид профиля скважины и силы трения в стволе при бурении и проведении спуско-подъёмных операций, поэтому данный показатель не может являться признаком, определяющим технологию бурения. Для конкретного вида профиля можно рассчитать, при какой длине наклонного участка профиля скважины колонна бурильных или обсадных труб уже не сможет перемещаться в наклонном стволе под собственным весом, уравновешиваясь силами трения. Полученный таким образом показатель является определяющим признаком для класса субгоризонтальных скважин, учитывающим вид, параметры проектного профиля и силы трения в скважине.^ Рис.2. Расчетная схема для определения показателя класса субгоризонтальных скважинДля трёхинтервального профиля (рис.2) нами получено уравнение для определения длины наклонно прямолинейного участка, при которой колонна труб перестаёт двигаться под собственным весом:, м (5) где – длина вертикального участка скважины, м; – коэффициент трения; – угол охвата, рад.; R – радиус участка начального искривления ствола скважины, м;; > arcctg(). Величина LН является показателем класса субгоризонтальных скважин, на основе которого может быть рассчитано предельное значение коэффициента отклонения. Если проектная длина наклонно прямолинейного участка больше значения LН, вычисленного по формуле (5), то скважина с таким проектным профилем относится к классу субгоризонтальных скважин. Если проектная длина наклонно прямолинейного участка равна LН, то проектный профиль находится на границе областей бурения наклонных и субгоризонтальных скважин. При меньших проектных значениях LН профиль может быть реализован по обычной схеме бурения наклонных скважин. На рис.3 представлена зависимость показателя LН класса субгоризонтальных скважин от зенитного угла для различных значений коэффициента μ трения колонны труб о стенку скважины. Графики получены для предельного случая, когда длина HВ вертикального участка скважины минимальна, а кривизна участка начального искривления равна 1.5°/10м. Скважины, у которых значение показателя LН на графике (рис.3) расположено выше точки кривой, соответствующей проектному значению зенитного угла и коэффициенту трения, необходимо проектировать с применением технологии и технических средств горизонтального бурения.^ Рис. 3. Зависимость показателя LН класса субгоризонтальных скважин от зенитного угла для разных значений коэффициента μ тренияПрофиль субгоризонтальной скважины характеризуется следующими особенностями: - зенитный угол наклонно прямолинейного интервала больше угла, при котором в обычных условиях бурильная колонна может перемещаться под собственным весом; - наклонно прямолинейный интервал расположен в зоне залегания неустойчивых горных пород с низкой прочностью. Отмеченные особенности профиля определяют следующие риски, имеющие место при бурении субгоризонтальных скважин: - значительная часть бурильной колонны, расположенной в тангенциальном участке ствола находится в условиях сжатия, что может привести к потере её продольной устойчивости и спиральному изгибу; - пересечение долотом пластов горной породы под острым углом способствует образованию локального искривления траектории бурения с высокой интенсивностью; - за счёт высокого контактного давления бурильной колонны на стенку ствола в резко искривленных интервалах формируются желобные выработки; - изменение напряжённого состояния стенки ствола в интервалах желобных выработок и низкая прочность горных пород приводят к обрушению стенки скважины и образованию каверн; - интенсивный переход твёрдой фазы в буровой раствор за счёт диспергирования шлама и накопление его в кавернах способствуют возникновению осложнений; - значительный вращающий момент, необходимый для вращения бурильной колонны в искривленных интервалах ствола, может привести к аварийным ситуациям с бурильной колонной. Таким образом, необходимым условием, определяющим успешную проводку субгоризонтальных скважин, является обеспечение плавной траектории бурения, без дефектов в виде локальных искривлений и уступов в стенке ствола скважины. В практике строительства наклонно направленных скважин при бурении роторным способом и забойными двигателями используются КНБК с опорно-центрирующими элементами различных конструкций, в том числе и с изменяемым на забое диаметром. Современный принцип управления траекторией бурения с использованием КНБК основан на реализации отклоняющей силы на долоте. При этом ствол скважины, кроме ассиметричного разрушения, формируется за счёт фрезерования долотом стенки ствола скважины. При наличии отклоняющей силы на долоте углубление скважины под влиянием геолого-технологических факторов сопровождается образованием единичных локальных искривлений, которые могут быть причиной получения извилистой траектории бурения. Кроме того, проводка наклонного участка скважины компоновкой с отклоняющей силой на долоте снижает эффективность управления траекторией, а также технические показатели бурения. Для стабилизации зенитного угла ствола субгоризонтальной скважины или изменения его с заданной интенсивностью необходима технология бурения, характеризующаяся нулевой отклоняющей силой на долоте и нулевым углом его перекоса относительно оси (или касательной к искривленной оси) скважины. При этом ствол скважины в процессе бурения будет формироваться близким к идеальной форме.^ В третьем разделе обоснована конструкция компоновок для бурения наклонно прямолинейного участка профиля скважины и проведены аналитические исследования КНБК с расчётными размерами. Рассмотрены различные варианты КНБК, предварительно определены их оптимальные размеры: длина направляющей и верхней (расположенной между ОЦЭ) секций, диаметры ОЦЭ. КНБК включает гидравлический забойный двигатель и телесистему. Один из ОЦЭ может быть выполнен в виде управляемого на забое центратора, что позволяет изменять показатель назначения КНБК в процессе бурения. На рис.4 представлена зависимость диаметра верхнего (управляемого) ОЦЭ от длины верхней секции КНБК, выполненной на основе винтового забойного двигателя ВЗД-172 и предназначенной для стабилизации зенитного угла ствола скважины. ^ Рис. 4. Зависимость диаметра верхнего ОЦЭ оптимальной КНБК от длины верхней секции для разных длин направляющей секции В зависимости от длины направляющей секции расчётный диаметр верхнего ОЦЭ, при котором выполняется два условия оптимизации, изменяется в пределах от 200 до 215.9 мм. График (рис.4) определяет диапазон изменения диаметра управляемого центратора за счёт выдвижных элементов. В результате расчётов по предложенной в главе 2 математической модели и с учётом графика (рис.4) получено несколько расчётных вариантов компоновок (табл.1). Таблица 1^ Размеры расчётных вариантов КНБК Вариант КНБК ØД = 215,9 мм; ØВЗД = 172 мм; ØТС = 170 мм L1 ØЦ1 L2 ØЦ2 1 1.5 201.3 6.58 – 2 3.75 211.6 3.33 – 3 1.5 215.8 6.0 213.9 4 2.0 215.5 6.08 209.0 5 2.5 215.0 7.7 212.8 Первые два варианта – это компоновки на основе винтового забойного двигателя с одним ОЦЭ. Причём компоновка по варианту 1 соответствует одному из двух условий на долоте, согласно которому отклоняющая сила на долоте равна нулю. Параметры КНБК по вариантам 2-5 удовлетворяют двум заданным условиям на долоте. В процессе бурения КНБК работает в условиях, которые под воздействие технических, технологических и геологических факторов могут существенно отличаться от расчётной схемы. В этом случае необходимо проанализировать надёжность работы КНБК по выполнению проектной траектории бурения. Для проведения аналитических исследований были приняты следующие начальные значения параметров ствола скважины. Компоновка на основе ВЗД-172 расположена в прямолинейном интервале ствола скважины с зенитным углом 80°. Моделирование воздействия факторов, дестабилизирующих работу полученных вариантов КНБК с оптимальными размерами, осуществлялось с использованием программ «Наклонно-направленное бурение». Для анализируемых вариантов КНБК установлены зависимости отклоняющей силы на долоте при абразивном износе ОЦЭ по диаметру, эрозионном разрушении стенки ствола скважины, накоплении шлама на нижней стенке (рис.5, 6, 7). Номера кривых на графике (рис.5, 6, 7) соответствуют номерам вариантов КНБК в табл.1.^ Рис. 5. Влияние износа ОЦЭ по диаметру на отклоняющую силу на долоте При построении графика (рис.5) была принята схема, согласно которой верхний ОЦЭ изнашивается по диаметру в два раза интенсивнее нижнего. В точке перегиба кривых 1, 2, 5 (рис.5) происходит изменение схемы взаимодействия КНБК со стенкой скважины, когда нижний ОЦЭ перестаёт быть опорой и не касается стенки ствола. В условиях абразивного износа ОЦЭ наименьшая отклоняющая сила возникает на долоте двухцентраторной КНБК с максимальной длиной секций (кривая 5). Согласно графику (рис.6) минимальная отклоняющая сила при эрозионном увеличении диаметра скважины возникает на долоте КНБК с одним ОЦЭ, оптимизированной по двум критериям (кривая 2), в отличие от одноцентраторной КНБК по варианту 1.Рис. 6. Влияние увеличения диаметра ствола скважины на отклоняющую силу на долоте В точке перегиба кривой 1 (рис.7) происходит изменение схемы взаимодействия КНБК со стволом скважины, когда верхний ОЦЭ перестаёт быть опорой.^ Рис. 7. Влияние толщины слоя шлама на отклоняющую силу на долоте При наличии слоя шлама на нижней стенке скважины наибольшая отклоняющая сила, направленная в сторону уменьшения зенитного угла, возникает на долоте компоновки с одним ОЦЭ (рис.7). Наиболее надёжной является компоновка с двумя ОЦЭ, имеющая максимальную длину секций. Воздействие одновременно нескольких дестабилизирующих факторов способно усиливать негативное влияние друг друга на поведение КНБК (рис.8). ^ Рис. 8. Зависимость отклоняющей силы на долоте КНБК 2 от износа ОЦЭ по диаметру и толщины слоя шлама в стволе скважиныНо в некоторых случаях взаимовлияние дестабилизирующих факторов увеличивает надёжность работы КНБК с двумя ОЦЭ на проектной траектории бурения (рис.9). ^ Рис. 9. Зависимость отклоняющей силы на долоте КНБК 4 от износа ОЦЭ по диаметру и толщины слоя шлама в стволе скважиныПроведенные исследования КНБК с оптимальными размерами дают основания сделать следующие выводы. 1. Установлены закономерности изменения отклоняющей силы на долоте КНБК от основных дестабилизирующих факторов, возникающих в процессе бурения скважины: износ ОЦЭ по диаметру, эрозия стенки ствола, наличие слоя шлама в скважине. 2. Установлено, что образование слоя шлама на нижней стенке ствола скважины приводит к появлению на долоте КНБК отклоняющей силы, направленной в сторону уменьшения или увеличения зенитного угла для КНБК с одним и двумя ОЦЭ, соответственно. 3. Определены максимальные значения величины износа ОЦЭ и эрозии стенки ствола скважины, при которых изменяется схема взаимодействия КНБК со стволом скважины и, следовательно, показатель её назначения. 4. Высокой надёжностью работы при воздействии дестабилизирующих факторов обладают двухцентраторные КНБК с максимальной длиной секций. 5. Состояние нижнего ОЦЭ в составе двухцентраторной КНБК является фактором, который определяет показатель назначения КНБК в условиях интенсивного износа рабочей поверхности ОЦЭ и увеличения диаметра ствола скважины. 6. Совокупность дестабилизирующих факторов усиливает их негативное влияние на работу КНБК с одним ОЦЭ, или факторы могут компенсировать друг друга при бурении компоновкой с двумя ОЦЭ. 7. Установленные закономерности влияния износа ОЦЭ по диаметру, эрозии ствола скважин и шламовой «подушки» на работу КНБК могут быть использованы при проектировании стабилизирующих и искривляющих КНБК, в том числе и с управляемым центратором, а также при проводке наклонно направленных и горизонтальных скважин по проектному профилю.^ В четвёртом разделе проведены исследования надёжности работы КНБК на проектной траектории бурения. КНБК является упругим телом, и зависимости величины опорных реакций на ОЦЭ и отклоняющей силы на долоте от деформации компоновки имеют линейный характер. Поэтому в качестве показателя надёжности работы КНБК (ПНАД) для оцениваемого дестабилизирующего фактора (Фi) принято условие:, (11) где – величина изменения отклоняющей силы, кН;– величина изменения фактора, мм. Результатом оптимизации КНБК являются варианты размеров, каждый из которых удовлетворяет поставленным условиям на долоте и принятым допущениям расчетной схемы. Из множества полученных вариантов оптимальных размеров КНБК необходимо выбрать для последующего проектирования вариант, который, во-первых, обеспечивает максимальную надёжность работы КНБК при воздействии основных дестабилизирующих факторов, а, во-вторых, – точность выполнения параметров проектной траектории бурения (стабилизацию зенитного угла или его изменение с запланированной интенс