Проектирование режимов зарезки "Окна" в обсадной колонне и анализ процесса взаимодействия низа бурильной колонны с отклоняющим устройством

Обеспечение своевременного выхода режущего инструмента за колонну и получение «окна» полного профиля согласно геометрии отклоняющей поверхности отклонителя и предотвращение возможной переориентации отклонителя в скважине и связанных с этим явлением – осложнений предъявляемыми к процессу взаимодействия низа бурильной колонны с отклоняющим устройств.

Для решения этих задач необходимо провести анализ цроцесса взаимодействия режущего инструмента с отклоняющим устройством, позволяющей разработать мероприятия по уменьшению сил, способ- ствующих возможным осложнениям при зарезки «окна» в обсадной колонне. Следует отметить, что режущий инструмент при вскрытии «окна» наряду с прорезанием тела обсадной трубы работает также по отклоняющей поверхности отклонителя. В результате отклонитель воспринимает силовые факторы, действующие на низ бурильной колонны при вскрытии "окна", схема этого взаимодействия приводится на рисунке 1. Из которого следует, что отклонителем воспринимаются осевая, радиальная и окружная нагрузки, которые приводится ниже:

( Fa = FnsinQK

Fr = FncosQk                          (1)

Ft = 2Тс?отк где Fn – нагрузка, действующая вдоль нормали (n-n) зоны взаимодействия и определяемая через осевую нагрузки, действующую на режущий инструмент как, Өср /2.

F n =2Fsin,

где :

Ө ср = ( Ө н + Ө к ) / 2

T – крутящий момент, действующий на режущий инструмент. Сила трения в зоне взаимодействия определяется как:

где : f = 0,2 ... 0,45 – коэффициент трения между инструментом и отклонителем.

Действие указанных нагрузок в процессе прорезания "окна" и забуривании нового ствола в ряде случаев способствует переориентации отклонителя в скважине. Для предотвращения этого явления необходимо разработка запирающего механиз-

F f = f F n ,                                 (3)

ма отклонителя, способного воспринимать действие указанных нагрузок без последствий, или же разработка конструкции отклонителя с разгружаемым запирающим механизмом. Для реализации первого пути необходимо выполнение для запирающего механизма отклонителя следующего условия:

F fпл   ≥  F d ,

где F – сила трения между элементами запирающего механизма отклонителя и внутренней стенкой обсадной колонны.

Удельная нагрузка, создаваемая элементами запирающего механизма в зоне их взаимодействия с обсадной колонной для обеспечения отсутствия переориентации, ограничивается допустимой удельной нагрузкой:

q =

—

^F a ^K

fm^d ^

^[q 1

где d , l – диаметр и длина элементов запирающего механизма соответственно; – коэффициент трения в зоне взаимодействия;

К – коэффициент, учитывающий окружную неполноту элементов запирающего механизма. Число ярусов расположения элементов запирающего механизма определяется как:

^п = q/q о K i

где K 1 – коэффициент, учитывающий расположение ярусов;

Рис. 1. Схема взаимодействия режущего инструмента с отклоняющим устройством в процессе вскрытия "окна" в обсадной колонне

q0 – удельная нагрузка, создаваемая элементами одного яруса запирающего механизма, разделив которую на их число можно определить нагрузку в зоне одного элемента q 01 =

F

—a- sin в n bh

где n 1 – число элементов в ярусе запирающего механика, b,h,β – соответственно ширина, высота и угол скоса элементов.

Для обеспечения изгибющей прочности скошенной части отклоняющего устройства необходимо выполнение следующего условия:

^ из

F y e ( F ) 0,1 [ d ( € ) ] 3

где F ^ = ^Fy + Ft — суммарное усилие, действующее на скошенную часть от-клонящего устройства; ε (l) - расстояние от места взаимодействия до запирающего механизма.

Автором разработано отклоняющее устройство, скошенная часть которого выполнена из направляющих роликов и смо-дилирован процесс прорезания окна в колонне (рис. 2), что из- за возможности перекатывания режущего устройства без скольжения позволяет разгружать запирающий механизм отклонителя [1]. Это поз- воляет получать «окно» в колонне полного профиля , длиной равной длине скошенной части отклонителя. В этом случае геометрические размеры «окна» будут зависеть от диаметров колонны и режущего инcтрумента, а также направляющего угла отклонителя. Для определения этой зависимости цилиндрическую часть режущего устройства, формирующей размеры «окна» и направляемой согласно геометрии скошенной части отклонителя, представим в виде уравнения (рис. 2).

«Окно» в обсадной колонне формируется- путем смещения инструмента на расстояние ӯ по мере его движения по наклонной части отклонителя. С учетом этой модели прорезания колонны имеем

x2

a2

+

⁽ y ^- y)2 ₌₁

b2

Рис. 2. Модель прорезания «окна» в колонне режущим инструментом

Если допустить, что малая (a) и боль-    определим область изменения паpaметра ӯ, шая (b) полуоси эллипса a

R - b< y< R + b

Прорезание колонны будет происходить по мере приближения параметра ӯ к правой границе его интервала изменений, ко- торое представляем уравнением окружности x2 + y 2 = R 2

Для определения координат точек пересечения математических моделей инструмента и колонны, согласно модели проре- зания "окна" используем положение о равенстве их абсцисс, с учетом которого из уравнений (5.7) и (5.8) получаем:

R²-y² . (y-y)²   .

r²f r

^ cos^ J или же :

R² — y² + y²cos²d₀ — 2yycos²6₀ + y^-2cos²6₀ — r² = 0            (14)

После не сложных преобразований получаем:

-y cos²0 ± _лIy' cos⁴0 + sin²0„(R² - r² + y~² cos²0)

y = —-----0—°—г°2   Учитывая, что sin 0O                          подкорневое выра жение в (5.10) всегда

D = y^-г cos⁴0 + y^-2 cos⁴0 sin²0 + (R²- r²) sin²0 = y -² cos⁴0 + (R²- r²) sin²0 ^ 0

а также то, что принято ӯ>0, для определения ординат точек пересечения инструмента и колонны получаем следующее:

- y² cos²0 + д/y² cos²0 + (R²- r²)sin²0

у                    sin²0

Легко доказывается, что всегда y cos2 0 ^ д/y-2 cos2 0 + (R2 - r2)sin2 0

Действительно, возводя в квадрат имеем y-2 cos4 0O ^ y-2 cos2 0O + (R2 -r2)sin2 0O(18)

Или y-2 cos2 0O(cos2 0O -1) ^ (R2 -r2)sin2 0O(19)

Так как cos2 0 -1 ^ Oa   (R2 -r2)sin2 0 ^ O(20)

то, доказывается (17).

Абсциссы точек пересечения инструмента и колонны определяем из (12) и (16)

x = ± V R2 — r2

y²

y~²ctgX cos²^₀+ y~²ctgX + (R² —r²) — 2yctgХд/y2 cos²^ + sin²^₀(R² — r^) sin²в₀

Геометрические размеры "окна", прорезаемого в колонне определяются как

Z = yctg ²0_o

где Ө0 – угол скоса направляющей поверхности отклоняющего устройства.

Рис. 3. Возможные совместимые сочетания геометрических параметров режущего инструмента, отклоняющего устройства, обсадной колонны и соответствующие им метрические размеры вскрываемого в колонне «окна».

Таким образом на любой стадии (даже при преждевременном выходе инструмента за колонну) можно определить степень совершенства вскрываемого в колонне «окна» и принимать при необходимости решения по использованию мероприятий для увеличения его геометрических размеров. Следует отметить, что как геометрические размеры «окна» в колонне, так и его форма зависят от отношений размеров колонны и режущего инструмента, а также направляющего угла отклоняющего устройства, что подтверждается рисунке 3.

Выводы:

• 1.    Согласно геометрии отклоняющей поверхности отклонителя обеспечено современной выход режущего инструмента за колонну и получена «окна» полного профиля.

• 2.    При осложнении зарезки второго ствола предотвращено возможном переориентация отклонителя в скважине.

• 3.    Определено степень совершенства вскрываемого в колонне «окна» и принята решения использовать мероприятий для увеличения его геометрических размеров.