Компоновка низа бурильной колонны

 

Использование: бурение горизонтальных скважин с дневной поверхности. Сущность изобретения: в компоновке низа бурильной колонны, включающей долото, забойный гидравлический двигатель и патрубок между долотом и валом двигателя, компоновка содержит долото с боковыми промывочными каналами, отверстия которых прилегают к боковой стенке внутренней полости долота, где размещен шар с возможностью качения в кольцевой канавке, образованной стенками полости, причем диаметр шара больше диаметра боковых отверстий, а площадь проходного сечения патрубка больше площади поверхности внутренней полости долота, расположенной нормально к его оси. Положительный эффект: повышаются технико-экономические показатели бурения горизонтальных стволов скважин с дневной поверхности. 3 ил.

Изобретение относится к бурению скважин, точнее к компоновкам низа бурильной колонны для бурения горизонтального и наклонного (искривленного) ствола скважины с дневной поверхности.

Известна компоновка низа бурильной колонны (КНБК), включающая долото и забойный гидравлический двигатель (ЗГД). В горизонтальном и сильно наклонном стволе расположена соединенная с двигателем колонна бурильных труб, выходящая через искривленную часть в вертикальный ствол скважины. Над искривленным стволом в составе бурильной колонны имеются утяжеленные бурильные трубы (УБТ), присоединенные верхним концом к колонне бурильных труб в вертикальном стволе скважины. Нагружение долота осуществляется разгрузкой веса УБТ на колонну бурильных труб протяженностью от начала искривления ствола скважины до ЗГД, включая весь горизонтальный ствол скважины [1] Недостатки известной КНБК заключаются в следующем. По мере удлинения наклонного и горизонтального ствола скважины возрастает площадь контакта бурильной колонны со стенкой скважины, растет сила трения бурильной колонны о стенку скважины, достигая 6-8 тонн на каждые 100 м длины горизонтального и сильно наклоненного ствола, соответственно уменьшается нагрузка на долото от веса УБТ, что приводит к существенному уменьшению механической скорости бурения, возрастанию стоимости метра проходки. Кроме того, в известной КНБК не предусмотрены средства, стимулирующие вынос шлама из горизонтального и наклонного ствола скважины, что еще более затрудняет движение бурильной колонны в скважине, создает опасность прихвата бурильной колонны, препятствует стабильной проходке ствола скважины в заданном направлении.

Известна КНБК, включающая долото и ЗГД, соединенный с колонной бурильных труб, расположенных в горизонтальном или наклонном стволе скважины. По длине колонны в горизонтальном или наклонном стволе скважины установлены с определенным интервалом гидравлические вибраторы, в которых движение клапанов синхронизировано со сдвигом фаз на половину периода. Работа вибраторов приводит к увеличению подвижности бурильной колонны в стволе скважины, улучшению передачи нагрузки от УБТ к долоту, повышению подвижности шлама и его выносу из скважины [2] Однако реализовать эту КНБК практически невозможно, что связано не только со сложностью конструкции и трудностью настраивания вибрационной системы, но и с тем, что КНБК не учитывает ряд геологических и технологических факторов. Так, синхронизация работы вибраторов не учитывает влияния топографии и пространственных искривлений ствола скважины, а приложение пульсирующих гидравлических нагрузок сжатия к колонне бурильных труб большой протяженности приводит к расходованию гидравлической энергии лишь на деформацию волнообразования по длине колонны, а не к передаче нагрузки на долото. Кроме того, установка многочисленных вибраторов по длине бурильной колонны приводит к существенному повышению ее гидравлического сопротивления.

Известна также КНБК, включающая долото, ЗГД и патрубок между долотом и валом ЗГД. Патрубок имеет толстые стенки и узкое проходное сечение, представляя собой отрезок УБТ [3] Недостатком известной КНБК является низкая эффективность бурения горизонтального и наклонного ствола скважины, так как тяжелый патрубок создает лишь отклоняющую нагрузку на долото, в то время как для проводки наклонной или горизонтальной скважины необходима осевая нагрузка. Передачу же осевой нагрузки на долото известная КНБК не предусматривает, что обуславливает низкую механическую скорость бурения наклонных и горизонтальных скважин. Кроме того, известная КНБК не способствует выведению шлама из наклонного и горизонтального ствола скважины, что еще более затрудняет возможность нагружения долота весом УБТ, расположенных в вертикальном стволе скважины, создает прихватоопасную ситуацию, дестабилизирует выбранное направление пpоложения наклонной и горизонтальной частей ствола скважины.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения горизонтального и наклонного ствола скважины.

Цель достигается тем, что в известной КНБК, включающей долото, ЗГД и патрубок между долотом и валом ЗГД, компоновка содержит долото с боковыми промывочными каналами, отверстия которых прилегают к боковой стенке внутренней полости долота, где размещен шар с возможностью качения в кольцевой канавке, образованной стенками полости, причем диаметр шара больше диаметра боковых отверстий, а площадь проходного сечения патрубка больше площади поверхности внутренней полости долота, расположенной нормально к его оси.

Включение в КНБК долота с боковыми промывочными каналами, отверстия которых прилегают к боковой стенке внутренней полости долота, приводит к вращению отверстий промывочных каналов долота по окружности, лежащей в вертикальной или несколько отклоненной от вертикали плоскости, при вращении долота в горизонтальном или наклонном стволе скважины.

Наличие шара во внутренней полости долота, установленного с возможностью качения в кольцевой канавке, образованной стенками полости, обеспечивает возможность периодического перекрытия отверстий боковых промывочных каналов и получения при этом повышенного перепада давления на долоте.

Произведение этого повышения перепада давления на долоте на площадь поверхности внутренней полости долота, расположенной нормально к его оси, дает импульс силы, приложенной по оси долота в направлении к забою скважины, а наличие над долотом патрубка с площадью проходного сечения больше упомянутой площади поверхности в полости долота обеспечивает усиление нагрузки на долото за счет увеличения площади, воспринимающей перепад давления на долото и импульс давления, возникающей при перекатывании шара в полости долота.

Превышение диаметра шара над диаметром отверстий боковых промывочных каналов, прилегающих к боковой стенке полости, предотвращает возможность присасывания шара к отверстию, так как в момент неполного перекрытия отверстия шар касается стенок полости только точками, а не по линии и не по поверхности.

Создание периодического осевого усилия непосредственно на долоте приводит к тому, что на конце бурильной колонны действует сила, вытягивающая бурильную колонну в направлении проводки скважины с эффективным нагружением долота за счет двух составляющих: от собственно возникающего усилия на долоте путем реализации описанного механизма и от передачи усилия на долото, создаваемого весом УБТ в вертикальном стволе скважины, чему способствуют колебания бурильной колонны, вызываемые периодическим частичным перекрытием промывочных отверстий долота. Кроме того, колебания колонны препятствуют осаждению и уплотнению вокруг колонны выбуренной породы (шлама), способствуют удалению шлама из горизонтального и наклонного ствола скважины. Величину импульсов давления регулируют диаметром шара.

Действие перечисленных факторов обеспечивает повышение эффективности бурения горизонтальных и наклонных скважин с дневной поверхности.

На фиг. 1 показана компоновка низа бурильной колонны для бурения горизонтального и наклонного ствола скважины; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 2.

КНБК включает долото 1, ЗГД 2, патрубок 3 между долотом и валом ЗГД; ЗГД соединен с колонной бурильных труб 4, лежащей на нижней поверхности ствола скважины 5. В корпусе долота имеется полость 6, куда открыты отверстия 7 боковых промывочных каналов 8; отверстия прилегают к боковой стенке 9 полости 6. В полости 6 размещен шар 10 с возможностью качения в кольцевой канавке 11, образованной стенками полости 6. Площадь проходного сечения патрубка 3 больше площади поверхности 12 внутренней полости долота.

КНБК работает следующим образом.

Перед спуском в скважину 5 в полость 6 долота 1 с боковыми промывочными каналами 8 помещают шар 10, изготовленный, например, из фторопласта, или меди, или алюминия, или плотной резины, или другого материала мягче стали, из которой изготовлено долото, но достаточно тяжелого, т.е. тонущего в промывочной жидкости. Наворачивают на долото патрубок 3, другой конец которого соединяют с валом ЗГД 2. ЗГД соединяют с колонной бурильных труб 4 и спускают в скважину 5. Выше места начала наклонения (искривления) скважины в вертикальном стволе в состав бурильной колонны включают УБТ. После спуска в скважину нагнетают в бурильную колонну 4 промывочную жидкость, которая вызывает вращение вала ЗГД 2 и соединенного с ним через патрубок 3 долота 1. Перепад давления на долоте 1 и гидросопротивления в колонне до долота (за вычетом площади отверстий 7 промывочных каналов 8) создают осевую гидравлическую нагрузку на долото 1. При вращении долота 1 шар 10 перекатывается в кольцевой канавке 11, образованной стенками полости 6, и периодически частично перекрывает боковые отверстия 7 промывочных каналов 8. Возникающее при этом повышение давления воспринимается площадью 12 полости 6 и переходными площадками патрубка 3 (от большого диаметра патрубка 3 к меньшему диаметру ниппеля долота 1), т.е. площадью проходного сечения патрубка 3 за вычетом площади промывочных отверстий 7 в площадке 12 полости 6 долота 1.

Произведение величины повышения давления на упомянутую площадь дает импульсное повышение осевой силы на долоте 1, что способствует страгиванию бурильной колонны со стенки скважины 5 с передачей на долото нагрузки от веса УБТ. Импульсные страгивания бурильной колонны приводят также к псевдоожижению выбуренного шлама и стимулируют его вынос из горизонтального и наклонного ствола скважины 5 промывочной жидкостью, движущейся в циркуляционной системе скважины.

Таким образом достигается повышение эффективности бурения в горизонтальном и наклонном стволе скважины.

П р и м е р. Вертикальный ствол скважины пробурен долотом диаметром 295,3 мм до глубины 500 м; отсюда долотом 215,9 мм произведено искривление ствола с переходом в горизонтальный ствол на глубине 620 м. Длина горизонтального ствола 250 м. Долото имеет два промывочных канала, оборудованных гидромониторными насадками с диаметром канала 10 мм. В полости долота имеется шар диаметром 35 мм. В качестве ЗГД используется винтовой двигатель типа Ду диаметром 172 мм со стабилизирующими кольцами диаметром 195 мм. Между долотом и валом ЗГД установлен патрубок, имеющий наружный диаметр 195 мм, толщину стенки 15 мм, внутренний диаметр 165 мм. Винтовой ЗГД соединен с колонной бурильных труб диаметром 127 мм. УБТ расположены в конце вертикального ствола. Вес УБТ составляет 20 т. Расход промывочной жидкости 25 л/с; перепад давления на долоте 5 МПа, перепад давления в бурильной колонне до долота (включая ЗГД) составляет 7 МПа. Площадь проходного сечения бурильной трубы 95 см², площадь проходного сечения патрубка 210 см². Сила гидравлического растяжения бурильной колонны, равная произведению гидропотерь в колонне до долота и перепада давления в долоте на площадь проходного сечения бурильной колонны, составляет около 11 т. Сила трения колонны о стенки скважины, из расчета 6 тонн на 100 м горизонтального и наклонного ствола, составляет 18 т, в связи с чем из суммарной нагрузки от веса УБТ 10 тонн и гидравлической нагрузки 11 т (разгружаемой весом бурильной колонны), на долото передается 31 18 13 т, в то время как для нормальной отработки долота требуется 18-23 т. Дальнейшее нагружение весом УБТ неэффективно, так как наряду с горизонтальной, действует вертикальная составляющая веса УБТ, прижимающая бурильную колонну к стенке скважины. Получение недостающих 5-10 т нагрузки получаются за счет силы, равной произведению импульсного повышения давления на площадь внутреннего сечения патрубка. Исходя из упомянутой необходимой нагрузки 5-10 т для страгивания бурильной колонны в горизонтальном и наклонном стволе скважины, шар должен при перекрытии отверстия давать импульсное повышение давления 25-50 атм. Столь существенные периодические нагрузки, предлагаемые непосредственно к долоту, не только обеспечивают перемещение бурильной колонны с нагружением долота, но и способствуют псевдоожижению и вымыву шлама из горизонтального и наклонного ствола, что обеспечивает повышение механической скорости бурения и других технико-экономических показателей бурения наклонных и горизонтальных скважин.

Формула изобретения

Компоновка низа бурильной колонны, включающая забойный гидравлический двигатель, долото с промывочными каналами и внутренней полостью, образованной дном и боковыми стенками, расположенный в ней с возможностью качения шар диаметром, большим диаметра выходящих в полость отверстия промывочных каналов, и установленный между долотом и валом забойного двигателя патрубок с проходным сечением, большим площади дна полости долота, отличающаяся тем, что промывочные каналы выполнены в дне внутренней полости долота и прилегают к боковой стенке полости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3