Наддолотный центратор-стабилизатор для бурения забойным двигателем

 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к компоновке бурильного инструмента центраторами, стабилизаторами и т.п. техническими средствами. Центратор включает трубчатый корпус с присоединительной резьбой и с центрирующими элементами с продольными прорезями. Длина центрирующего элемента по вертикали, ограниченная рабочей поверхностью, выбрана в зависимости от его диаметра и диаметра долота и характеризуется следующим математическим выражением: L_ц ≤ 25ч35(d_д-d_ц), где L_ц - длина рабочей поверхности центратора по вертикали, мм; d_д - диаметр долота, мм; d_ц - диаметр центрирующего элемента, мм. Изобретение обеспечивает повышение эффективности процесса бурения, снижение затрат времени на крепление скважины. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к компоновке бурильного инструмента центраторами, стабилизаторами и т.п. техническими средствами.

Известен калибратор-центратор (1), содержащий полый корпус с присоединительными резьбами на концах, установленные на корпусе рабочие элементы, выполненные в виде калибрующих ребер, выполненные в виде многозаходного винта, на сходе каждого винта установлены эжекционные насадки.

Недостатком известного калибратора-центратора является то, что при проходке долотом глинистых отложений к межвинтовым участкам прилипает глина, наслаиваясь, приводит к сальникообразованию, сужает каналы винта, что в свою очередь приводит к повышению гидросопротивления промывочной жидкости и к неполной очистке забоя, что в конечном итоге отрицательно сказывается на технико-экономических показателях работы долота.

Известен также наддолотный центратор (2), содержащий трубчатый корпус с присоединительными резьбами на концах, установленные на корпусе рабочие элементы, выполненные в виде диска с продольными прорезями.

Этот наддолотный центратор более близок к предлагаемому и может быть принят в качестве прототипа. Он имеет те же недостатки, что и аналог, кроме того, при их использовании при бурении забойным двигателем не обеспечивается проходимость центратора по стволу скважины и обсадной колонны при спуске его в скважину и не удается безориентированно управлять траекторией ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин при бурении.

Задачей настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков, а также обеспечение бурения под направление, кондуктор и основной ствол одним типоразмером забойного двигателя.

Поставленная задача решается описываемым центратором-стабилизатором для бурения забойным двигателем, включающим трубчатый корпус с присоединительной резьбой и с центрирующими элементами с продольными прорезями.

Новым является то, что длина центрирующего элемента по вертикали, ограниченная рабочей поверхностью, выбрана в зависимости от его диаметра и диаметра долота и характеризуется следующим математическим выражением:

L_ц≤ 25÷ 35(d_д-d_ц),

где L_ц - длина рабочей поверхности центратора по вертикали, мм;

d_д- диаметр долота, мм;

d_ц - диаметр центрирующего элемента, мм.

При этом его корпус присоединен к нижнему концу корпуса шпинделя.

Изложенные отличительные признаки в совокупности с общими признаками с прототипом, по нашему мнению, являются существенными, поскольку обеспечивают получение нового положительного эффекта, не свойственного известным, заключающего в том, что его использование позволяет вести бурение без зависаний и заклинивания бурового инструмента (центратора), формируя ствол скважины с нормальной проходимостью для колонны обсадных труб, и безориентированно управлять траекторией наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Известно (см. тот же источник 2), что только на подготовку ствола скважины с целью обеспечения проходимости колонны обсадных труб и центраторов в скважину затрачивается 25-30% времени из всего отведенного по проекту на крепление эксплуатационной колонны.

Таким образом, при использовании предлагаемой конструкции центратора-стабилизатора достигается целый ряд полезных эффектов, позволяющих повысить эффективность процесса бурения и сократить затраты времени в последующем при креплении скважин до 25-30%.

Предварительные патентные исследования на новизну, проведенные ретроспективностью в 20 лет по патентному фонду института "ТатНИПИнефть", показали, что аналогичные технические решения, охарактеризованные такой совокупностью существенных признаков, не обнаружены, следовательно, можно предположить, что предложение обладает новизной и удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".

Приведенные чертежи поясняют суть изобретения, где на фиг.1 изображен предлагаемый к защите охранным документом центратор-стабилизатор в общем виде, в частичном разрезе.

На фиг.2 - сечение по А-А, где видна рабочая поверхность центрирующего элемента и продольные прорези.

На фиг.3 - забойный двигатель в скважине в компоновке с долотом и центратором-стабилизатором, в частичном разрезе.

Он включает трубчатый корпус 1 с присоединительной резьбой 2 на удлиненном конце и с центрирующим элементом 3 с выполненными на его рабочей поверхности продольными прорезями 4 для прохода промывочной жидкости.

Многочисленными промысловыми исследованиями авторами установлено, что проходку скважины без зависаний и заклинивания бурильного инструмента с центратором-стабилизатором, обеспечение безориентированного управления зенитным углом, а также создание нормальной проходимости обсадных труб достигается тогда, когда длина L_ц центрирующего элемента выбрана в зависимости от его диаметра и диаметра долота и характеризуется следующим математическим выражением:

L_ц≤ 25÷ 35(d_д-d_ц),

где L_ц - длина рабочей поверхности центрирующего элемента по вертикали, мм;

d_д - диаметр долота, мм;

d_ц - диаметр центрирующего элемента, мм.

Соблюдение вышеотмеченного условия обеспечивает проходимость центратора-стабилизатора, колонны обсадных труб при креплении скважины и безориентированное управление зенитным углом. При бурении долотом с диаметром 216 мм и забойным двигателем с диаметром 172 мм стабилизация зенитного угла достигается при диаметре стабилизатора 212 мм. Малоинтенсивный рост зенитного угла - при диаметре стабилизатора 214 мм. Малоинтенсивное снижение зенитного угла - при диаметре стабилизатора 210 мм. Проходная длина у этих стабилизаторов, согласно вышеприведенному математическому выражению (по предлагаемому объекту), разная. Так, например, при диаметре стабилизатора 214 мм проходная длина L_ц составляет 50-70 мм, при диаметре 212 мм - 100-140 мм, а при диаметре 210 мм - 150-210 мм. Если взять стабилизатор с диаметром 214 мм и выбрать длину L_ц рабочей поверхности равной 100-140 мм или 150-210 мм, т.е. без учета предлагаемого математического выражения, то он по стволу скважины не пройдет в процессе бурения и без вращения бурильного инструмента будет зависать. Нормальное бурение начнется только тогда, когда его диаметр уменьшится до 210 мм, но тогда стабилизатор свое назначение не будет выполнять - вместо малоинтенсивного роста зенитного угла произойдет малоинтенсивное снижение зенитного угла.

При бурении без центраторов угол локального искривления колеблется в пределах от 1 до 2,5° , а максимальное смещение долота от оси скважины σ равно половине разности диаметров долота и турбобура (забойного двигателя).

Из практики известно, что локальное искривление ствола скважины можно уменьшить за счет применения наддолотных калибраторов диаметром, равным диаметру долота.

Однако низкая износостойкость калибраторов в условиях бурения крепко сложенных пород не позволяет их широко использовать. Установлено, что за 150-200 м проходки износ калибратора по диаметру, армированного твердым сплавом, достигает 4 мм. При массовом применении стоимость калибраторов превышает стоимость долот, израсходованных на бурение.

Чтобы управлять кривизной в наклонно-направленных скважинах, обычно требовалось бурение одних интервалов со стабилизацией, других - с падением зенитного угла. Поэтому стабилизатор должен свободно проходить в ствол, пройденный без применения калибраторов и центраторов.

Центратор-стабилизатор работает следующим образом.

Его спускают в скважину, присоединив его к ниппельному переводнику нижнего конца корпуса шпинделя забойного двигателя 5 (турбобура или винтового двигателя), а к валу шпинделя 6 - долото 7 через переводник 8.

При бурении за счет конструктивных особенностей центратора-стабилизатора (он центрирует и одновременно и стабилизирует) исключается отклонение долота от оси скважины выше допустимого, что очень важно при управлении кривизной в наклонно-направленных скважинах. При этом также обеспечивается проходимость центратора, процесс бурения идет без зависаний и заклиниваний, а в последующем обеспечивается и проходимость колонны обсадных труб в скважине без дополнительных проработок ее стенок, на которую обычно затрачивается 25-30% отпущенного на крепление скважины.

Практика бурения опытных скважин с использованием центратора-стабилизатора предлагаемой конструкции показала, что одним типоразмером турбобура (забойного двигателя), например, диаметром 195 можно пробурить скважину под обсадную трубу от 320 до 168 мм (см. также таблицу), подбирая соответствующий диаметр долота и центратора-стабилизатора, изготовленного с использованием вышеприведенной математической зависимости, устанавливая их непосредственно на буровой по мере необходимости.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в повышении эффективности процесса бурения (улучшаются показатели работы долота) за счет исключения всевозможных осложнений, что исключает дополнительные спускоподъемные операции, снижаются затраты времени на крепление до 25-30% за счет исключения работ по дополнительной проработке стенки скважины расширителями и калибраторами, облегчается проводка наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Немаловажно также и то, что при использовании центратора-стабилизатора предлагаемой конструкции появляется возможность одним типоразмером забойного двигателя (турбобуром, винтовым двигателем или электробуром) пробурить скважину под направление, кондуктор и эксплуатационную колонну труб. При этом смену центратора-стабилизатора осуществляют непосредственно на буровой, следовательно, для этого нет необходимости возить их на базу производственного обслуживания.

Источники информации

1. А.с. SU и№973782, Е 21 В 10/26, 1982 г.

2. "Выбор компоновки низа бурильной колонны для бурения скважин". Обзорная информация, серия " Бурение", выпуск №18, г. Москва, ВНИОЭНГ, 1986 г., с.35-36 (прототип).

3. Патент РФ №2105860, Е 21 В 17/10, опубл. в Б. И. №6, 1998 г.

Формула изобретения

Наддолотный центратор-стабилизатор для бурения забойным двигателем, включающий трубчатый корпус с присоединительной резьбой и с центрирующими элементами с продольными прорезями, отличающийся тем, что длина центрирующего элемента по вертикали, ограниченная рабочей поверхностью, выбрана в зависимости от его диаметра и диаметра долота и характеризуется следующим математическим выражением:

L_ц ≤ 25ч35(d_д-d_ц),

где L _ц - длина рабочей поверхности центратора по вертикали, мм;

d _д - диаметр долота, мм;

d _ц - диаметр центрирующего элемента, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3