Способ бурения вертикальных и естественно искривляющихся скважин

 

Использование: при бурении вертикальных и естественно искривляющихся скважин в осложненных условиях, где породы могут существенным образом влиять на кривизну скважин, если бурить их без предупредительных мер компоновкой с центраторами или без них и без ограничения эффективной нагрузки на долото. Сущность изобретения: перед бурением определяют коэффициент влияния типа долота на искривление ствола скважины путем перемножения индексов анизотропии пород, полученных при бурении лопасным долотом ствола скважины до появления его искривления и последующем бурении ствола скважины до появления его искривления долотом с минимальным вылетом зубьев. Затем осуществляют поинтервальное углубление вертикальных и естественно искривляющихся скважин с постоянной нагрузкой на долото. После этого определяют величину отклонения ствола скважины и мгновенное прирощение величины зенитного угла в соответствии с приведенной в формуле изобретения зависимостью. В процессе бурения измеряют диаметр центраторов и заменяют их по мере износа.

Изобретение относится к бурению вертикальных и естественно искривляющихся скважин, проводящихся в осложненных геологических условиях, способствующих естественному искривлению.

Известен способ прогнозирования и контроля траектории при бурении наклонных скважин, проводящихся в условиях, где геология не влияет на кривизну скважин [1].

Недостатком этого способа является то, что расчет траектории ведется с учетом направления поперечной силы, действующей на долото, к верхней или нижней стенке скважины, эта сила имеет тенденцию к уменьшению по мере бурения вплоть до нуля. Поэтому способ расчета траектории правильнее было бы назвать расчетом поперечных сил, а не расчетом траектории.

Известен способ бурения вертикальных и естественно искривляющихся скважин [2] , который включает поинтервальное их углубление с постоянной нагрузкой на долото, измерение диаметра центраторов и их замену по мере износа и определение величины мгновенного приращения зенитного угла скважины по выражению = K - , где - темп приращения величины зенитного угла скважины с ростом ее глубины при безориентированном бурении скважин в районах естественного искривления, град,/м; α - зенитный угол скважины в точке расчета, град.; α_ст - угол стабилизации, к которому скважина стремится где-то в пределе, если бурить ее неограниченно долго без изменения геологии и начальных данных расчета, град.; l_cт, l_o, l _α - расстояния от долота до 1-й точки касания низа бурильного инструмента со стенками скважины в стволе скважины под нагрузкой, если ствол скважины наклонен: а) на угол стабилизации, б) не имеет наклона к вертикали, в) имеет наклон на какой-то промежуточный угол по сравнению с упомянутыми пограничными значениями.

Недостатком этого способа является то, что в нем при определении формы траектории скважины учитывается только индекс буровой анизотропии, но не учитывается коэффициент влияния типа долота на приращение величины зенитного угла скважины с ростом глубины.

Целью изобретения является снижение стоимости строительства вертикальных и естественно искривляющихся скважин и повышение точности их проводки.

Для этого в способе бурения вертикальных и естественно искривляющихся скважин, включающем поинтервальное их углубление с постоянной нагрузкой на долото, изменение диаметра центраторов и их замену по мере износа и определение величины мгновенного приращения зенитного угла с ростом глубины, определяют коэффициент влияния типа долот на искривление скважины, путем перемножения индексов буровой анизотропии при бурении пород лопастным долотом до появления искривления с последующим бурением ствола до появления искривления долотом с минимальным вылетом зубьев, величина приращения зенитного угла с ростом глубины между этими пограничными значениями определяется по выражению = {Θ+f[(Ψ-α)+(ϕ-α)]}, (1) где Θ - угол наклона оси долота к оси скважины; - мгновенное приращение величины зенитного угла с ростом глубины при бурении скважины компоновкой данного типа, град./м;
l - расстояние от долота до 1-й точки касания низа бурильного инструмента со стенками скважины в стволе скважины под нагрузкой, м;
α - текущий зенитный угол ствола скважины, м;
f - коэффициент влияния типа долота на кривизну (безразм.);
Ψ - угол наклона к вертикали в каждый момент времени вектора мгновенного направления результирующей силы на долоте при бурении в анизотропных породах (с учетом влияния геологических факторов), град.;
ϕ - то же, но при бурении в изотропных породах, т.е. когда влияние геологии не учитывается, град.

П р и м е р. При бурении Сураханской свиты скважины N 153/156 лопастными и шарошечными долотами было установлено, что индекс анизотропии при бурении лопастными долотами отражал сильное влияние пород на приращение величины зенитного угла с ростом глубины скважины и был равен 0,0954, а при бурении шарошечными долотами - среднее влияние и был равен 0,035 безразмерных единиц. При перемножении указанных величин определяется коэффициент влияния типа долот на приращение величины зенитного угла с ростом глубины скважины, равный 0,00334. Этот коэффициент f проставляется в формулу для расчета траектории (профиля) вероятного естественного искривления скважины.

Проводятся некоторые подготовительные расчеты по известным формулам для формулирования исходных данных, приведения их в вид, удобный для обсуждаемого расчета:
1). По предложенным начальным условиям определяется масштабный коэффициент для перевода размерных данных в безразмерные
m = 19,5, m = ;
2). Нагрузка на долото в безразмерных единицах:
P^б_д^.е.= = = 10 б.е., где р - вес одного погонного метра нижней части бурильной колонны;
3). Поперечный зазор r
r = = 0.018 м;
4). Отношение масштабного коэффициента к зазору
= = 1083;
5). Определяются значения характеристических показателей для разных величин углов наклона скважины к вертикали с определенным шагом, например, через 1^о. В частности, для начального угла наклона скважины (угол на начало расчета) равен 4^о
= = 75.

Расчет траектории вероятного естественного искривления ствола скважины, когда износ ребер центратора допускается до основания (бурение без центраторов), начинается при следующих начальных данных:
1). D_д = 314 мм; 2). D_УБТ = 178 мм, роторное бурение;
3). Нагрузка на долото (оптимальная) по проекту Р_д^эфф. = 200 кН;
4). Угол падения пластов (в среднем на интервале расчета) γ_пл = 20^о;
5). Индекс буровой анизотропии, полученный в результате бурения сначала лопастным, а потом шарошечным долотом, средний h = 0,065;
6). Длина интервала, влияющего на естественное увеличение величины зенитного угла с ростом глубины скважины Н_контр = =1000 м;
7). Глубина начала расчета, начиная с которой начинается заметное приращение величины зенитного угла с ростом глубины скважины Н_скв ^нач = 1480 м;
8). Зенитный угол скважины на глубине 1480 м. На начало расчета α_скв^нач = 4^о;
9). Общая (конечная) глубина скважины (глубина окончания расчета) 2800 м;
10) Радиус круга допуска по отходу от вертикали на глубине 2800 м, R_д = 85 м;
11). Проверяли расчетом допустимость планирования бурения данной скважины без центратора и устанавливали не выведет ли при этом естественное искривление забоя скважины на контрольной глубине, т..е. после проходки 1000 м с начала расчета за пределы круга допуска по отходу от вертикали (85 м), для чего вначале задавались первой величиной зенитного угла (4^о) и для него находили знаменатель формулы (1), т.е. l - расстояние от долота до 1-й точки касания в рассматриваемых условиях;
12). Находили отношение при рассматриваемых начальных условиях и отсюда определяли ϕ, т. к. α = 4^о был известен на начало расчета, для того чтобы определить следующий элемент ф-лы (1), а именно разницы (ϕ-α) _α=4o , которая в данном случае равна 3,92^о - 4^о = - 0,08 или, умножив на 0,01744, получим в радианах (ϕ-α) _α=4o = -0,0014 рад.;
13). Определялся для названных начальных условий и угол Ψ. Более точно он может быть определен и по формуле
Ψ_α = ;
14). Находили первую разницу (Ψ-α) _α=4o = -0,0338 рад.;
15). На этом подготовительные работы заканчивались и начинался сам расчет;
16). Подставляли все значения для первого шага расчета по формуле (1)
= ,
= = =0,000075 или разделив на 0,01744 получим 0,0043 град,/м, т.к. здесь знаменатель был переведен из безразмерных величин в метры, Θ определяли по ф-ле
Θ = = = 0.00292 рад..

Этот угол из-за малости своей величины может быть заменен своей радиантной мерой;
17). Определяли для первого шага расчета сколько метров надо пройти для того, чтобы в условиях рассматриваемой задачи зенитный угол на обсуждаемой скважине возрос бы от начальной величины 4 до 5^о;
18). Для того чтобы осуществить расчет по п.17, повторяли весь расчет по предыдущим пунктам, приняв в начальных условиях зенитный угол не 4, а 5^о;
19). Полученный темп приращения кривизны до 5^о сравнивали с темпом приращения кривизны для 4^о и определяли среднее арифметическое, которое в условиях рассматриваемой задачи равнялось
=0.0062 град/м.
20). Определяли сколько метров надо пройти для того, чтобы зенитный угол на рассматриваемой скважине возрос бы от 4 до 5^о по формуле
Δs= = = 161.92 м;
21). Расчет по пп.1-21 повторяли для следующей пары зенитных углов, а именно 5 и 6^о, находили средний темп приращения величины зенитных углов с ростом глубины скважины в данном случае;
22). Пристраивали к участку одноплоскостного профиля (траектории) скважины, полученному по пп. 1-20, второй участок профиля при увеличении зенитного угла от 5 до 6^о и т.д.);
23). Путем повторения расчета по приведенной схеме выстраивали весь профиль естественно искривляющейся скважины вплоть до выхода его на угол стабилизации α_ст, когда Ψ=α, или до достижения глубины контрольного для расчета интервала Н_контр. = 1000 м, или, наконец, расчет останавливали раньше, если отход скважины от вертикали превышал допустимую величину R_д = 85 м.

24). В последнем случае возвращались снова к началу указанного расчета и принимали в начальных условиях ограничения по зазору r, т.е. вводили компоновку с центраторами.

Использование способа бурения вертикальных и естественно искривляющихся скважин позволяет повышать точность проходки, гарантируя от выхода за пределы круга допуска тем, что расчет ведется по формуле, в которой действие перемежаемости пород по крепости на искривление скважины при бурении без отклонителя и функции влияния типа долота на искривление скважины разделены за счет введения в формулу совершенно нового элемента, а именно коэффициента влияния типа долот на приращение величины зенитного угла с ростом глубины ствола скважины.

Формула изобретения

СПОСОБ БУРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ЕСТЕСТВЕННО ИСКРИВЛЯЮЩИХСЯ СКВАЖИН, включающий поинтервальное их углубление с постоянной нагрузкой на долото, измерение диаметра центраторов и их замену по мере износа, определение величины отклонения скважины и мгновенного приращения величины зенитного угла, отличающийся тем, что, с целью снижения стоимости строительства вертикальных и естественно искривляющихся скважин и повышение точности их проводки, определяют коэффициент влияния типа долота на искревление ствола скважины путем перемножения индексов анизотропии пород, полученных при бурении лопастным долотом ствола скважины до появления его искревления, и последующего бурения ствола скважины до появления его искревления долотом с минимальным вылетом зубьев, а определение мгновенного приращения величины зернистого угла осуществляют в соответствии с зависимостью
= {Θ+f[(Ψ-α)+(ϕ-α)]} ,
где - мгновенное приращение кривизны зенитного угла с глубиной при бурении скважины компоновкой данного типа, град/м;
l - расстояние от долота до первой точки касания УБТ, корпуса турбобура или центратора (в зависимости от вида бурения) со стенками скважины, м;
α - текущий занитный угол буровой скважины, град.;
Θ - угол наклона долота к оси скважины, град.;
f - коэффициент влияния типа долота на кривизну;
Ψ - угол наклона к вертикали в каждый момент времени вектора мгновенного направления результирующей силы на долоте при бурении в анизотропных породах (с учетом влияния геологических факторов), град.;
ϕ - тот же угол наклона вектора результирующей силы, который имел бы место при учете влияния на кривизну только лишь технических факторов (при бурении в изотропных породах), град.