Замечания по использованию бурильных ясов

Скважинный инструмент

Цели

После изучения данного раздела обучающийся должен уметь следующее:

1.	Назвать и разъяснить как минимум четыре причины использования стабилизаторов.
2.	Назвать существующие типы стабилизаторов и описать характеристики и преимущества каждого их них.
3.	Назвать рекомендованный тип стабилизатора для различных условий бурения.
4.	Объяснить назначение бурильных ясов.
5.	Описать в упрощенной форме основные принципы работы механических и гидравлических ясов.
6.	Назвать модели ясов, предлагаемых компанией Baker Hughes Inteq, и кратко описать характеристики и преимущества каждой из них.
7.	Знать общие инструкции по монтажу ясов в КНБК.
8.	Объяснить назначение ускорителей ясов.
9.	Объяснить назначение амортизирующего переводника.
10.	Назвать характеристики и преимущества амортизатора Shock Eze.
11.	Объяснить назначение обратного клапана и описать принципы его работы.
12.	Объяснить назначение немагнитных УБТ.

Раздел

Скважинный инструмент

8.1	Стабилизаторы
8.1.1	Причины использования стабилизаторов
	q Стабилизаторы являются основным средством управления работой многих КНБК при направленном бурении, что определяется местом их установки и диаметром. q Стабилизаторы позволяют сосредоточить вес КНБК на буровом долоте. q Стабилизаторы устраняют нагрузки, воздействующие на долото не по оси скважины. q Стабилизаторы сводят к минимуму изгиб и вибрацию, которые могут приводить к износу соединений инструмента и повреждению таких элементов КНБК, как инструменты ИПБ. q Они снижают бурильный момент за счет предотвращения контакта УБТ со стенкой скважины и центрирования УБТ в стволе. q Они позволяют предотвратить прихват под действием перепада давления и образование желобов.
8.1.2	Существующие типы стабилизаторов
	q Съемные втулочные стабилизаторы	q Стабилизаторы с приварными лопастями
	q Стабилизаторы с литыми лопастями	q Невращающиеся втулочные резиновые стабилизаторы
	q Шарошечные расширители
8.1.3	Выбор типа стабилизатора
	При выборе стабилизатора, в первую очередь, следует учитывать геологическую структуру скважины. Выбор стабилизатора также зачастую производится с учетом экономической эффективности и простоты использования. Для обеспечения прогнозируемой работы КНБК, т. е. выполнения прямолинейной траектории, набора или спада угла, лопасти стабилизатора должны сохранять заданный диаметр при работе в скважине. В некоторых случаях изменение диаметра стабилизатора на 1/8 дюйма может привести к неудовлетворительной работе КНБК при бурении наклонно-направленных скважин. Таким образом, износоустойчивость стабилизатора является основным критерием его проектирования, а геологическая структура является одним из важнейших факторов при выборе стабилизаторов для длительного использования. Как правило, чем выше твердость и абразивность породы, тем более износоустойчивыми должны быть инструменты стабилизации бурильной колонны. Выбор твердосплавного покрытия для лопастей стабилизаторов также, в первую очередь, зависит от твердости породы.

Тип стабилизатора	Применение
Съемный втулочный	Необходим для месторождений, где есть проблемы с материально-техническим обеспечением, и является экономически эффективным вариантом.
Стабилизатор с приварными лопастями	Применяется для бурения скважин большого диаметра в рыхлых породах, а также верхних участков наклонно-направленных скважин (до точки зарезки наклонного ствола).
Стабилизатор с литыми лопастями	Характеризуется максимальной износоустойчивостью и предназначен для работы в наиболее сложных геологических условиях.
Невращающийся втулочный резиновый стабилизатор	Применяется для бурения прямолинейных скважин в сверхтвердых и (или) абразивных породах.
Шарошечные расширители	Предназначены для работы в твердых породах.

Тип стабилизатора	Порода
	Рыхлая	Средней твердости	Твердая
Втулочные стабилизаторы	X	X	X
Стабилизаторы с приварными лопастями	X	X
Стабилизаторы с литыми лопастями	X	X	X
Невращающиеся втулочные резиновые стабилизаторы			X
Шарошечные расширители		X	X

8.1.4	Втулочные стабилизаторы
	Втулочный стабилизатор, предназначенный для использования с породами любой твердости, за исключением сверхтвердых, состоит из корпуса в виде втулки и сменной навинчивающейся втулки. Корпус стабилизатора изготавливается путем механической обработки цельной стальной заготовки, а втулка либо отливается как цельное изделие, либо лопасти привариваются к втулке, изготовленной механической обработкой. Лопасти стабилизатора защищены от износа твердосплавным покрытием или накладками из карбида вольфрама. Один корпус может использоваться с втулками разного размера. Данный тип стабилизатора более практичен по сравнению со стабилизаторами с литыми лопастями, поскольку с одним корпусом могут использоваться втулки различного диаметра. Замена втулок обходится значительно дешевле, чем замена стабилизаторов с литыми лопастями. Кроме того, их гораздо проще транспортировать, что является преимуществом для удаленных районов или районов с затрудненным материально-техническим обеспечением. Износные накладки могут изготавливаться с учетом спиральной формы лопастей и твердости пород. Основным недостатком втулочных стабилизаторов является то, что они могут ограничивать циркуляцию бурового раствора в скважинах малого диаметра (8‑ 1/2 дюйма и менее), что вызвано слишком малым зазором между корпусом стабилизатора и стенками ствола.

	Рис. 8-1. Втулочный стабилизатор
8.1.5	Стабилизаторы с приварными лопастями
	Процесс приварки лопастей к корпусу является высокотехнологичным и включает предварительную и послесварочную термическую обработку всех компонентов и готового изделия для обеспечения целостности стабилизатора и сведения к минимуму риска разрушения лопастей. Однако данные стабилизаторы не рекомендуется использовать в твердых породах ввиду вероятности усталостного разрушения сварных швов. Данный тип стабилизаторов является оптимальным вариантом для выполнения скважин большого диаметра в рыхлых пластах, поскольку он позволяет производить бурение с максимальным расходом бурового раствора. Данные стабилизаторы дешевле стабилизаторов с литыми лопастями. При наклонно-направленном бурении в пластах, где наблюдаются боковые колебания долота, не рекомендуется использовать данные устройства в качестве наддолотного стабилизатора, поскольку ввиду малой площади контакта лопастей со стенкой ствола они не обеспечивают требуемой фиксации компоновки в стволе, что приводит к большим боковым отклонениям долота от траектории (изменение азимута скважины).
	Стабилизатор с приварными спиральными лопастями	Стабилизатор с приварными прямыми лопастями
	Рис. 8-2. Стабилизаторы с приварными лопастями
8.1.6	Стабилизаторы с литыми лопастями
	В твердых и сверхтвердых пластах стабилизаторы с приварными лопастями, как правило, достаточно быстро подвергаются износу, что делает их непригодными для стабилизации бурильной колонны. В таких условиях требуемая механическая прочность может быть обеспечена стабилизаторами с литыми лопастями (IBS). Стабилизаторы IBS эффективно используются в твердых известняковых породах и доломитах, песчанистых сланцах, кремнистых сланцах, кварцитах, кварцитных песках и других твердых и абразивных породах. Они также способны обеспечивать эффективную стабилизацию колонны в пластах с нарушенной структурой и разломами. Стабилизаторы с литыми лопастями изготавливаются путем механической обработки цельной заготовки из высокопрочной легированной стали. Поверхности лопастей оснащаются накладками из карбида вольфрама. Такая конструкция повышает износостойкость и срок службы стабилизаторов IBS при использовании в твердых породах. Также такое износостойкое исполнение приводит к удорожанию данных устройств по сравнению с другими типами стабилизаторов. Существует два варианта конструкции данных стабилизаторов: со спиральными лопастями для обеспечения максимального контакта со стенками скважины и «клеверный лист» (прямые лопасти) для облегчения циркуляции бурового раствора. Профиль спирали лопастей может проектироваться с учетом требований как к обеспечению циркуляции, так и контакта со стенками. Оптимальной является конфигурация с лопастями, выполненными в виде одного витка спирали на 360° с минимальной рабочей высотой лопастей. Стабилизаторы IBS имеют более длинные лопасти и большую площадь поверхности контакта со стенками скважины, что позволяет эффективно их использовать для выполнения участков с выдерживанием угла отклонения и направления траектории. Стандартный стабилизатор с литыми лопастями может использоваться в качестве наддолотного стабилизатора при необходимости набора кривизны с достаточно высокой интенсивностью. Компания Servco предлагает стабилизаторы IBS с большой поверхностью контакта («Big Bear»), которые могут эффективно использоваться для снижения степени отклонения долота от заданной траектории и при необходимости выдерживания угла отклонения. Большая площадь поверхности контакта со стенками скважины позволяет зафиксировать КНБК в стволе и препятствует изменению азимута.

	Рис. 8-3. Стабилизатор с литыми лопастями
8.1.7	Шарошечные расширители
	Шарошечные расширители могут использоваться для стабилизации бурильной колонны в условиях, когда достаточно сложно обеспечить требуемый диаметр ствола, а также в твердых пластах на большой глубине при возникновении скручивающего момента на бурильной колонне. В таких твердых породах, как кварцит и кремнистый сланец, долото может изнашиваться, что затрудняет поддержание требуемого диаметра ствола. Режущие элементы шарошечных расширителей расширяют ствол скважины до требуемого диаметра, продлевая при этом срок службы долота и предотвращая риск прихвата. На больших глубинах скважины, где присутствуют твердые породы и используются УБТ малого диаметра, шарошечные расширители могут обеспечивать стабилизацию колонны и сводить к минимуму скручивающий момент, приводящий к обрыву колонны. Верхние участки глубоких скважин, как, к примеру, на месторождениях Западного Техаса, могут выполняться с использованием стабилизаторов с литыми лопастями. При этом на большой глубине, где используются УБТ меньшего диаметра и существует риск возникновения скручивающего момента, для этой цели используются шарошечные расширители.

	Шарошка типа А (для рыхлых пород)	Шарошка типа D (для пород средней твердости)	Шарошка типа Е (для твердых пород)

	Шарошка TS (для рыхлых пород)	Шарошка TH (для твердых пород)	Шарошка PI (для твердых и абразивных пород)
	Рис. 8-4. Шарошечные расширители
	Данные расширители эффективно используются для расширения участков с желобами, искривлений и удаления неровностей ствола. На месторождениях в Северном море шарошечные расширители обычно используются в качестве наддолотных стабилизаторов, при этом на самых сложных участках вся бурильная колонна может оснащаться только данными устройствами. Некоторые шарошечные расширители оснащаются тремя шарошками, а некоторые шестью. Данные расширители оснащаются тремя типами шарошек и поэтому могут использоваться для любых целей. Шарошка типа А имеет гладкую форму и используется для стабилизации при минимальном скручивающем моменте. Тип D, предназначенный для пород средней и высокой твердости, имеет твердосплавное напыление, продлевающее срок его службы. Шарошки типа Е оснащены вставками из карбида вольфрама, что повышает их износостойкость при бурении сверхтвердых, абразивных пород и кремнистых сланцев. При использовании шарошечных расширителей наблюдается большее отклонение от заданной траектории, в частности, при их применении в качестве наддолотного стабилизатора. Это обусловлено малой площадью поверхности контакта со стенками ствола, что не позволяет обеспечивать такую же степень стабилизации КНБК, как при использовании других типов стабилизаторов. При использовании шарошечного расширителя в качестве наддолотного стабилизатора в составе компоновки для набора кривизны будет обеспечиваться более высокая интенсивность набора кривизны, чем при применении втулочного стабилизатора или СЛЛ.
8.1.8	Невращающиеся втулочные резиновые стабилизаторы
	Данные стабилизаторы обычно используются только в прямолинейных скважинах и сверхтвердых породах. Их лопасти не подвергаются быстрому износу, что продлевает срок их службы. Данные стабилизаторы снижают гибкость бурильной колонны. Их недостатком является то, что они не могут быть использованы для расширения ствола.
8.1.9	Примечания по стабилизаторам со спиральными лопастями
	Существует ряд примеров успешного использования стабилизаторов с левосторонними спиральными лопастями для снижения степени отклонения долота вправо. Однако в большинстве случаев преимущества левосторонних спиральных лопастей над правосторонними не отмечались. Стабилизаторы с правосторонними спиральными лопастями рекомендуется использовать для работы в направлении от забоя к устью скважины, поскольку они создают усилие на бурильной колонне выше точки их установки в направлении против часовой стрелки, затягивающее соединения. В обычном роторном режиме стабилизаторы с правосторонними спиральными лопастями действуют как насосы, способствуя выносу осколков породы из скважины, что особенно удобно для скважин с большим углом отклонения. При использовании стабилизаторов с левосторонними спиральными лопастями бурильный момент снижается. Предполагается, что стабилизаторы с левосторонними спиральными лопастями способны более эффективно расширять ствол скважины.
8.2	Бурильные ясы
	Наиболее распространенными причинами прихвата труб являются желоба в стволе, прихват под действием перепада давления, сжатие бурильной колонны породой в результате ее разбухания или обрушения и выбуривание долотом скважины недостаточного диаметра. Зачастую желобообразование может быть исключено за счет расширения ствола. Для борьбы с разбуханием породы необходимо свести к минимуму поглощение жидкости пластом. Вероятность прихвата под действием перепада давления может также быть устранена посредством контроля поглощения жидкости пластом и сведения к минимуму содержания взвешенных частиц в буровом растворе. Это позволит исключить избыточное образование фильтрационной корки бурового раствора, что является одной из основных причин прихвата под действием перепада давления. Использование спиральных УБТ также позволяет предотвратить риск прихвата под действием перепада давления за счет уменьшения поверхности контакта УБТ со стенками ствола. Еще одним профилактическим средством является непрерывное движение трубы. При возникновении прихвата под действием перепада давления, как правило, рекомендуется закачать в скважину в определенном объеме дизельное топливо или жидкость для освобождения прихваченной колонны на основе минерального масла со смазочными материалами и ПАВ. Данные жидкости заставляют фильтрационную корку растрескиваться и уменьшаться в размере. Другой первичный метод по устранению прихвата трубы заключается в периодическом открытии и закрытии нагнетательных клапанов насосов бурового раствора для резкого изменения давления бурового раствора, вызывающего вибрацию трубы. Для высвобождения прихваченной в скважине бурильной колонны могут использоваться ясы, создающие высокие ударные нагрузки. Бурильные ясы спроектированы таким образом, чтобы передавать крутящий момент с роторной буровой компоновки, расположенной над ними, на КНБК и при необходимости наносить удары, направленные к устью или забою скважины. Как показывает опыт, вероятность высвобождения бурильной колонны повышается при незамедлительном использовании ясов. Именно поэтому рекомендуется использовать бурильные, а не ловильные ясы. При использовании ловильных ясов, в первую очередь необходимо определить точку прихвата. При этом бурильная колонна должна быть развинчена над точкой прихвата, а компоновка должна быть поднята из скважины для установки ловильных ясов. Бурильный яс представляет собой скользящую втулку, обеспечивающую кратковременное и резкое осевое ускорение бурильной колонны над ясом. Ход втулки ограничен двумя упорами: молот, ударяющий по наковальне на наружной втулке. Большинство ясов предназначено для работы как в направлении устья, так и в направлении забоя. Некоторые ясы работают только в одном направлении. В положении между данными ограничителями яс находится во взведенном состоянии. При работе яса в направлении устья, оператор буровой установки натягивает бурильную трубу, в результате чего она удлиняется. При спуске яса бурильная труба сжимается, а импульс силы в бурильной колонне над ясом передается по втулке на несколько дюймов (5-9) в зависимости от конструкции яса. При ударе молота о наковальню кинетическая энергия преобразуется в ударные волны, распространяющиеся вверх и вниз по бурильной колонне. Цель данной операции заключается в освобождении бурильной колонны от прихвата. Как правило, при работе правильно спроектированным ясом сила, направленная к устью, превышает силу, направленную к забою. Это обусловлено тем, что натяжение бурильной трубы подъемным механизмом порождает большую силу, чем ее сжатие при разгрузке под действием собственного веса. Существует два основных типа бурильных ясов: механические и гидравлические. Механические ясы включают комплект пружин, блокировочный и спусковой механизмы. Принцип работы гидравлических ясов основан на управлении перетоком рабочей жидкости. Также существуют гидромеханические ясы с гидравлической секцией для работы вверх и механической секцией для работы вниз.
8.2.1	Механические ясы
	q Ясы, взводимые на поверхности Одним из широко используемых типов являются ясы механического действия, создающие ударную силу, которая не может быть изменена после спуска инструмента в скважину. Данный тип работает по принципу возвратно-поступательного движения. Усилия работы яса вверх и вниз могут регулироваться независимо в диапазоне от 0 до 180 000 фунтов непосредственно на буровой. Яс может использоваться во время циркуляции бурового раствора через долото. Однако циркуляция бурового раствора будет оказывать растягивающее усилие на яс, что будет фактически снижать усилие натяжения, необходимое для хода яса вверх, и увеличивать сжатие колонны, необходимое для хода яса вниз. Как правило, яс устанавливается в состоянии натяжения, но в определенных условиях может устанавливаться и в сжатом состоянии (подробно описывается далее). Создание крутящего момента на бурильной трубе или ее вращение не будет влиять на усилие при работе яса.
	q Забойные ясы Ударная сила данного типа механических ясов может регулироваться при нахождении инструмента в скважине посредством вращения бурильной колонны или создания на ней крутящего напряжения. Ударная сила прямо пропорциональна усилию, необходимому для взвода яса. Данный яс также работает по принципу возвратно-поступательного движения. Для увеличения ударной силы яса бурильная колонна должна поворачиваться по часовой стрелке. Поворот колонны против часовой стрелки позволяет снизить усилие движения яса и его ударную силу. Крутящий момент должен увеличиваться медленно (как правило, пол-оборота за одну операцию) до достижения требуемого эффекта. При большом трении колонны в наклонно-направленной скважине достаточно сложно обеспечить передачу крутящего момента вниз по стволу. Яс спроектирован таким образом, что нагрузка при работе ясом вниз всегда на 60% меньше нагрузки при работе ясом вверх. Яс начинает работать при натяжении колонны. Яс взводится и срабатывает без временной задержки.
8.2.1.1	Механический бурильный яс Hevi-Hitter компании Baker Hughes INTEQ
	Для высвобождения прихваченной трубы и исключения необходимости проведения дорогостоящих и трудоемких ловильных работ при бурении как прямолинейных, так и наклонно-направленных скважин компания Baker Hughes Inteq Teleco предлагает механический бурильный яс Hevi-Hitter (см. рис. 8‑ 5). Яс Hevi-Hitter отличается простотой конструкции, исключительной мощностью и износостойкостью, а также возможностью регулировки направления и силы удара с поверхности. Яс Hevi-Hitter может работать как в направлении устья, так и забоя. Ударная сила, которая в высокопроизводительных ясах может превышать 700 000 фунтов, может легко регулироваться с поверхности путем создания на колонне крутящего момента по часовой стрелке для ее повышения и вращения против часовой стрелки для ее уменьшения. Ввиду автоматического взвода яса Hevi-Hitter, работы по высвобождению прихваченной трубы не занимают много времени. Яс Hevi-Hitter предназначен для длительной работы в наиболее сложных условиях. Яс Hevi-Hitter, изготовленный из усталостнопрочной, высококачественной легированной стали с высокой точностью обработки, может обеспечивать надежную эксплуатацию при температуре 275°F.