Способ проводки направленной скважины по плавной траектории
Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано при проводке наклонных и горизонтальных скважин. Способ включает бурение вертикального ствола скважины, забуривание наклонного ствола скважины и последовательное бурение участков профиля скважины с разными радиусами кривизны. Забуривание наклонного ствола осуществляют по траектории с уменьшающимся радиусом кривизны. При бурении участков профиля скважины с разными радиусами кривизны их сопрягают между собой путем бурения дополнительных искривленных интервалов ствола с монотонно изменяющимся радиусом кривизны, причем радиусы кривизны дополнительного интервала ствола и участков профиля скважины в точках сопряжения равны между собой. Изобретение направлено на снижение напряжений изгиба в обсадной колонне в интервалах между искривленным участком профиля и вертикальным и горизонтальным стволами, улучшение центрирования обсадной колонны в скважине и повышение качества ее цементирования, улучшение условий работы штанговых насосов при эксплуатации скважины. 5 ил.
Изобретение относится к области бурения наклонных и горизонтальных скважин, проектный профиль которых включает прямолинейные и искривленные участки.
Известен способ бурения наклонных скважин по профилю, выполненному в виде цепной линии (см., например, патент США № 4440241, НКИ 175/61, МКИ Е 21 В 7/08).
Известный способ может быть использован в целях минимизации угла наклона ствола скважины в интервале установки и работы внутрискважинного оборудования, а также для снижения сил трения при спуске и подъеме из скважины колонн труб различного назначения. Из-за наличия вертикального ствола выполнить профиль наклонной скважины, полностью совпадающий с цепной линией, нельзя. Кроме того, наклонная скважина, пробуренная в соответствии с известным способом, в сравнении с обычными скважинами, проектный профиль которых состоит из дуг окружности и прямолинейных интервалов, значительно длиннее, и, следовательно, стоимость такой скважины будет существенно выше.
Наиболее близким к заявленному способу является техническое решение, в котором раскрыт способ строительства скважины, включающий бурение вертикального ствола, забуривание наклонного ствола по дуге окружности, бурение интервала начального искривления с постоянным радиусом кривизны, бурение по траектории, состоящей из сопряженных между собой дуг окружности и тангенциальных интервалов (см., например, Калинин А.Г., Никитин Б.А., Солодкий К.М., Повалихин А.С. «Профили направленных скважин и компоновки низа бурильных колонн», М., Недра, 1995, с.21-23).
В анализируемом известном способе бурения направленных скважин, в точках сопряжения прямолинейных и искривленных участков профиля кривизна (здесь и далее мы используем термин кривизна в его точном математическом смысле, как скорость поворота касательной к кривой в рассматриваемой точке, см., например, Рашевский П.К. «Курс дифференциальной геометрии», Москва, Недра, Гостехиздат, 1956 г.) ствола изменяется скачкообразно. Например, в точке забуривания наклонного ствола из вертикального участка скважины кривизна ствола изменяется для обычных скважин от 0° до 2° на 10 м ствола. При спуске в скважину бурильных и обсадных колонн труб в точках изменения кривизны ствола в теле труб возникают значительные напряжения изгиба. Кроме того, в стенке ствола скважины в каждой точке скачкообразного изменения его кривизны формируются выработки за счет неуправляемого взаимодействия породоразрушающего инструмента и бурильных труб с горной породой, так как в точке разрыва кривизны ствола скважины уравнение 
изгиба бурильной трубы теряет смысл. В данном уравнении М, R и EJ - изгибающий момент, радиус кривизны и жесткость на изгиб трубы соответственно.
Задачей настоящего изобретения является повышение качества ствола скважины, как объекта строительства, так и последующей ее эксплуатации.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе проводки направленной скважины по плавной, т.е. не имеющей скачков кривизны, траектории, включающем бурение вертикального ствола скважины, забуривание наклонного ствола скважины и последовательное бурение искривленных участков профиля скважины, забуривание наклонного ствола осуществляют по траектории с уменьшающимся радиусом кривизны, а участки профиля скважины сопрягают между собой путем бурения дополнительного искривленного интервала ствола с монотонно изменяющимся по его длине радиусом кривизны, причем радиусы кривизны дополнительного интервала ствола и участков профиля скважины в точках сопряжения равны между собой.
На фиг.1 представлен пример осуществления предлагаемого способа проводки направленных скважин по плавным траекториям.
Вертикальная глубина горизонтальной скважины составляет 2021 м. При этом точка начала горизонтального участка (5) длиной 200 смещена относительно устья скважины на 164 м. Минимальный радиус кривизны профиля горизонтальной скважины, рассчитанный из условия спуска и цементирования обсадной колонны диаметром 178 мм, равен 143 м.
После бурения вертикального ствола (1) скважины до глубины 1847 м осуществляют забуривание наклонного ствола в проектном магнитном азимуте. При этом радиус (R) кривизны ствола скважины на интервале (2) забуривания уменьшают до 143 м на глубине 1897 м в соответствии с зависимостью R=7200/S, где S, R - длина интервала (2) забуривания и текущий радиус кривизны интервала (2) забуривания соответственно, м.
Дальнейшую проводку участка (3) профиля скважины осуществляют по радиусу 143 м. В целях сопряжения траектории бурения с прямолинейным горизонтальным участком (5) с глубины 2077 м производят бурение дополнительного искривленного интервала (4). При этом в процессе проводки интервала (4) интенсивность увеличения зенитного угла ствола скважины уменьшают до нуля в соответствии с выражением: Iт=Iм-0.08L, где: IТ, im - текущая и максимальная интенсивность увеличения зенитного угла соответственно, °/10 м; L - текущая длина дополнительного искривленного интервала, м.
После достижения зенитного угла, равного 90°, осуществляют проводку горизонтального участка (5) длиной 200 м.
В сравнении с технологией проводки направленных скважин, принятой в качестве прототипа, длина искривленного интервала профиля, включая интервал забуривания, искривленный участок профиля и дополнительный искривленный интервал для сопряжения искривленного интервала профиля с прямолинейным горизонтальным участком, увеличивается на 40 м. При этом существенно снижаются напряжения изгиба в обсадной колонне в интервалах между искривленным участком профиля и вертикальным и горизонтальным стволами. Кроме того, при проводке направленной скважины в соответствии с предлагаемым способом улучшается центрирование обсадной колонны в скважине, что повышает качество ее цементирования. В процессе эксплуатации такой скважины механизированным способом создаются благоприятные условия для работы штанговых насосов, что увеличивает межремонтный период их работы.
Траектория бурения может не включать интервалы с постоянным радиусом кривизны. При этом минимальный радиус кривизны достигается в точке.
На фиг.2, 3, 4 и 5 представлены траектории бурения без дуг окружности, которые включают вертикальный ствол и два интервала с монотонно изменяющимся радиусом кривизны.
На фиг.2, 3, 4 и 5 приведены следующие обозначения:
О - точка забуривания наклонного ствола;
ОБ - продолжение ствола скважины, которое удовлетворяет натуральному уравнению 
;
R - радиус кривизны кривой ОБ в текущей точке S;
К - коэффициент;
S - длина дуги кривой ОБ, измеренная от точки О и возрастающая по направлению к точке Б;
ВО - расстояние от точки О до вершины угла поворота траектории, измеренное по большой касательной;
Xk, Yk - координаты точки Б в прямоугольной правой системе координат;
Х0,5, Y0,5 - координаты точки на кривой ОБ, расположенной на середине дуги ОБ;
ВБ - длина отрезка биссектрисы угла ОВО'.
Дуга БО' симметрична дуге ОБ относительно биссектрисы ВБ. Это сделано только для большей наглядности расчетного примера.
Длина "большой" касательной O'В=ОВ, прямоугольная система координат Х'O'У оказывается левой, но все характерные значения (Xk; Yk), (Х0,5; Y0,5) в силу симметрии совпадают с указанными выше.
В точке О', как и в точке О, радиус кривизны криволинейного участка равен бесконечности, а длина дуги ОБ измеряется, начиная с точки О'. В силу этого искривленный участок непрерывно по кривизне сопрягается с прямолинейным стволом скважины.
Основные размеры плавных траекторий бурения без дуг окружности:
Фиг.2 - К=15625; ОБ=156.25 м; ВО=185.6 м; R=100 м; Xk 147 м; Yk=39 м; Х0,5=78 м; Y0,5=5 м; ВБ=55 м.
Фиг.3 - К=7784; ОБ=77.84 м; ВО=80.77 м; R=100 м; Xk=76.67 м; Yk=9.99 м; Х0,5=38.88 м; Y0,5=1.26 м; ВБ=10.8 м.
Фиг.4 - К=3404; ОБ=34.04 м; ВО=34.27 м; R=100 м; Xk=33.94 м; Yk=1.93 м; Х0,5=17.01 м; Y0,5=0.24 м; ВБ=1.95 м.
Фиг.5 - К=111775; ОБ=195.07 м; ВО=196.35 м; R=573 м; Xk=194.45 м; Yk=11.04 м; Х0,5=97.49 м; Y0,5=1.38 м; ВБ=11.2 м.
Обсадные колонны, спущенные в ствол скважины, пробуренный по плавной траектории, не будут иметь резких перегибов, что существенно повысит герметичность и качество крепления скважины. Сказанное особенно актуально для обсадных колонн большого диаметра, которыми перекрываются верхние интервалы геологического разреза. Кроме того, существенно снизятся силы сопротивления при спуске обсадных колонн, что позволит использовать для строительства скважин буровые станки с меньшей грузоподъемностью, а следовательно, более дешевые, чем при обычной технологии бурения. Увеличится ресурс работы внутрискважинного эксплуатационного оборудования за счет исключения точек резкого изменения кривизны.
Способ может быть использован при проектировании и проводке наклонных и горизонтальных скважин для решения следующих задач:
- снижение нагрузки на буровое оборудование при проведении спускоподъемных операций с бурильной колонной, а также при спуске обсадной колонны;
- доведение осевой нагрузки на долото в процессе бурения горизонтальных и субгоризонтальных скважин;
- снижение вращающего момента в процессе бурения роторным способом;
- повышение герметичности обсадных колонн;
- обеспечение сохранности обсадной эксплуатационной колонны при эксплуатации скважины штанговыми насосами;
- увеличение срока службы внутрискважинного эксплуатационного оборудования.
Способ проводки направленной скважины по плавной траектории, включающий бурение вертикального ствола скважины, забуривание наклонного ствола скважины и последовательное бурение участков профиля скважины с разными радиусами кривизны, отличающийся тем, что забуривание наклонного ствола осуществляют по траектории с уменьшающимся радиусом кривизны, а участки профиля скважины сопрягают между собой путем бурения дополнительных искривленных интервалов ствола с монотонно изменяющимся радиусом кривизны, причем радиусы кривизны дополнительного интервала ствола и участков профиля скважины в точках сопряжения равны между собой.
