Способ контроля осевой нагрузки на долото при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин винтовым забойным двигателем

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин. Техническим результатом является увеличение эффективности бурения горизонтальных и наклонно-направленных скважин, надежности винтового забойного двигателя и породоразрушающего инструмента. Способ включает определение давления на стояке буровой установки в холостом режиме работы винтового забойного двигателя (долото над забоем), создание необходимой нагрузки на долото разгруженным весом бурильной колонны на забой до тех пор, пока давление на стояке не вырастет на величину разницы давлений в рабочем и холостом режимах работы двигателя, определенных по его характеристике. После запуска двигателя (над забоем), при работе его в режиме холостого хода производят проворачивание бурильной колонны с последующим замером величины момента М_р.х. После этого создают осевую нагрузку на долото и производят проворачивание бурильной колонны с последующим замером величины момента на роторе М_р.р. Фактическую осевую нагрузку на долото определяют по математической формуле, приведенной в тексте описания.

 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин. Известен способ контроля режима работы породоразрушающего инструмента при бурении скважин винтовыми забойными двигателями [SU 1376649 А1, E21B 4/02, опубл. 30.09.1990], включающий регистрацию давления в нагнетательной линии в процессе работы двигателя при постоянной нагрузке, при этом допустимый износ инструмента определяют из соотношения величин давлений, замеренных при различных условиях работы двигателя, и заменяют инструмент при величинах этого соотношения, не превышающих указанных пределов:

Известен способ контроля режима работы винтового двигателя в забойных условиях [SU 1128646 A1, E21B 4/02, опубл. 30.09.1990], заключающийся в замере показаний давлений в нагнетательной линии при работе двигателя на забое под нагрузкой и без нагрузки, а поддержание заданной частоты вращения вала двигателя осуществляют путем поддержания постоянной разницы замеренных показаний давлений.

Известен способ вращательного бурения скважин забойным гидравлическим двигателем [SU 1114777 А, E21B 4/00, опубл. 23.09.1984], заключающийся в определении частоты вращения бурильной колонны путем установления ее зависимости от осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, соответствующей тормозному моменту забойного двигателя, причем значение осевой нагрузки, соответствующей тормозному моменту, находят по следующей формуле:

где М_T - тормозной момент гидравлического забойного двигателя по паспортным данным;

М - требуемый рабочий крутящий момент на валу забойного двигателя;

G - осевая рабочая нагрузка на породоразрушающий инструмент.

Известен способ создания и контроля необходимой нагрузки на долото при бурении горизонтальных и наклонно-направленных стволов с большими смещениями забоев от устья скважин [RU 2006102611 А, E21B 4/00, опубл. 10.08.2007], включающий определение рабочего момента на валу двигателя по величине необходимой нагрузки на долото и удельного его момента, достаточного для вращения породоразрушающего инструмента под необходимой нагрузкой на долото. По характеристике винтового забойного двигателя находят перепад давления на двигателе при работе с рабочим моментом и в холостом режиме его работы, затем после спуска бурильного инструмента с долотом и винтовым забойным двигателем до забоя скважины и выравнивания параметров бурового раствора регистрируют давление на стояке буровой установки в холостом режиме работы ВЗД (долото над забоем), после этого производится создание необходимой нагрузки на долото разгруженным весом бурильной колонны на забой до тех пор, пока давление на стояке не вырастет на величину разницы давлений в рабочем и холостом режимах работы ВЗД, определенных по его характеристике, после этого величина нагрузки на долото в процессе бурения контролируется по этой величине.

Известен способ контроля необходимой нагрузки на долото при бурении скважин, включающий автоматизированную систему управления режимом бурения (АСУ РБ), обеспечивающую контроль изменения нагрузки на валу забойного гидродигателя (нагрузки на долото), по изменению скорости или тока приводного двигателя бурового насосного агрегата (БНА) и регулятора подачи долота (РПД) [Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины: В 2 Т. - М.: ООО «ИРЦ Газпром». - 2007. - Т 2. Винтовые забойные двигатели. - С.382-388].

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата в известных технических решениях, является низкий показатель качества контроля осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин винтовым забойным двигателем.

При бурении скважины винтовым забойным двигателем (ВЗД) часто возникают проблемы, связанные с нестабильностью его работы - чередованием режимов от оптимального до тормозного, а также остановок двигателя, что обусловлено неоднородностью (твердостью) разбуриваемых горных пород. В процессе работы ВЗД в горизонтальных и наклонно-направленных скважинах причинами частых остановок двигателя является отсутствие четкого контроля над тормозным моментом, напрямую связанным с неконтролируемостью создаваемой осевой нагрузкой. Невозможность определения нагрузки напрямую связано с работой - трением бурильной колонны в скважине. В процессе углубления горизонтального участка она воспринимает как продольные, поперечные, так и изгибающие нагрузки. Трение (посадки) бурильного инструмента обусловлено как неоднородностью разбуриваемых горных пород (физико-механическими свойствами), углами искривления скважины, так и углом закручивания бурильной колонны вследствие восприятия реактивного момента двигателя, влияющими на ее пространственное положение в скважине. Также увеличение трения связано с изменением расхода Q и гидравлической силы W при переменных режимах работы двигателя, что влияет на снижение качества очистки и, как следствие, приводит к зашламованию затрубного пространства скважины.

В большинстве буровых предприятий при бурении горизонтальных участков скважины с включением в КНБК винтового забойного двигателя определение осевой нагрузки на долото производится следующим образом: осуществляют спуск компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК) на 5-10 м не доходя до забоя; определяют вес на крюке; включают насосы и запускают ВЗД без нагрузки; фиксируют давление на манифольде (стояке буровой установки) при работе двигателя на холостом ходу; спускают КНБК до забоя и снова фиксируют давление на манифольде при плавном создании нагрузки на долото. По мере роста давления на манифольде определяется осевая нагрузка на долото, а также момент на валу двигателя при работе в оптимальном режиме (согласно паспортным характеристикам ВЗД) и тормозном режиме. Затем по станции ГТИ (геолого-технических исследований), которая выдает информацию о величине осевой нагрузки определяемую только по весу колонны (потере - изменению веса) в процессе спуска и бурения скважины, производят корректировку фактической осевой нагрузки на долото.

Проведенный анализ параметров бурения по десяти скважинам Приобского месторождения, где для углубления горизонтального участка применяли компоновки: долото БИТ2-МС; винтовой двигатель Д3-195; телесистему СИБ-2; легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ)-73 м и трубы бурильные с приварными замками (ТБПВ), показал, что при интервалах бурения 2657-3152 м угол искривления варьировался от 70 до 87°. Коэффициент трения инструмента о горную породу в зависимости от свойств бурового раствора (смазывающей способности, фильтрационных свойств и т.д.) варьировался от 0,05 до 0,35. В процессе спуска инструмента в ранее проработанном участке ствола скважины (с включенным насосом, т.е. работающем ВЗД на «холостом» ходу) давление в бурильной колонне составляло от 11,9 до 13,5 МПа, расход бурового раствора - 34 л/с. Долото находилось от забоя на расстоянии от 24 до 14,5 м, при этом величина осевой нагрузки («посадки - зависания» инструмента) находилась в пределах от 4,0 до 19 кН.

Параметры режима бурения последующего интервала скважины: давление в бурильной колонне варьировалось от 13,3 до 15,5 МПа; расход бурового раствора изменялся от 34 до 35 л/с. Долото находилось на забое. При этом величина осевой нагрузки на долото в процессе дальнейшего углубления согласно станции ГТИ составляла от 64 до 78 кН.

В процессе спуска и бурения вышеуказанного участка скважины осевая нагрузка изменялась от 19 до 78 кН. Следовательно, величина нагрузки в момент бурения, равная 78 кН, не является достоверной, так как сила трения (посадка) в процессе спуска искажает величину осевой нагрузки от 4,0 до 19 кН. Это связано с тем, что сила трения бурильной колонны о стенки скважины направлена противоположно осевой нагрузке на долото.

Имеющиеся в настоящее время способы контроля и методики определения осевой нагрузки, а также проведенный анализ режимов в процессе спуска и бурения данных скважин подтверждают невозможность четкого контроля измерения фактической осевой нагрузки без учета трения бурильной колонны в местах интенсивного искривления скважины.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение эффективности бурения горизонтальных и наклонно-направленных скважин, надежности винтового забойного двигателя и породоразрушающего инструмента (долота) за счет повышения качества контроля осевой нагрузки на долото.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в определении фактической осевой нагрузки на долото путем определения величины силы трения бурильной колонны о стенки скважины.

Указанный технический результат достигается тем, что способ контроля осевой нагрузки на долото при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин винтовым забойным двигателем включает определение давления на стояке буровой установки в холостом режиме работы винтового забойного двигателя (долото над забоем), создание необходимой нагрузки на долото разгруженным весом бурильной колонны на забой, определяемой по станции ГТИ, до тех пор, пока давление на стояке не вырастет на величину разницы давлений в рабочем и холостом режимах работы двигателя, определенных по его характеристике, отличающийся тем, что после запуска двигателя (над забоем), при работе его в режиме холостого хода производят проворачивание бурильной колонны ротором (либо верхним приводом буровой установки) с последующим замером величины момента М_р.х (момент на роторе в режиме работы двигателя на холостом ходу), после этого создают осевую нагрузку на долото и производят проворачивание бурильной колонны ротором (либо верхним приводом буровой установки) с последующим замером величины момента на роторе М_р.р (момент на роторе в рабочем режиме работы двигателя).

Причем фактическую осевую нагрузку на долото определяют по формуле:

где G_ос.ГТИ - осевая нагрузка на долото по станции ГТИ, Н;

М_р.х - момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу, Нм;

М_р.р - момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД, Нм;

D_скв. - диаметр скважины, м.

Причинно-следственная связь между заявленным техническим результатом и существующими признаками изобретения следующая. Увеличение эффективности бурения горизонтальных и наклонно-направленных скважин, надежности винтового забойного двигателя и породоразрушающего инструмента обеспечивается благодаря учету трения бурильной колонны в местах искривления скважин, что позволяет определить фактическую осевую нагрузку на долото (породоразрушающий инструмент).

Способ осуществляется следующим образом.

При бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин с использованием в качестве привода породоразрушающего инструмента винтового забойного двигателя выбирается эффективный режим бурения, обеспечивающий надежную работу породоразрушающего инструмента. С этой целью на бурильной колонне ВЗД с закрепленным на нем долотом опускается в скважину. Не доходя до забоя, по колонне бурильных труб в ВЗД подается необходимое количество (согласно паспортным данным завода изготовителя) бурового раствора. После запуска двигателя (над забоем), при работе его в режиме холостого хода по манометру определяют давление на стояке буровой установки, а затем производят проворачивание бурильной колонны ротором (либо верхним приводом буровой установки) с последующим замером величины момента М_р.х (момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу).

Затем бурильная колонна с двигателем и долотом подается вниз до контакта с забоем и далее плавно создается осевая нагрузка на долото. Определяют рабочий режим работы ВЗД по величине давления на стояке буровой установки, после чего производят проворачивание бурильной колонны ротором (либо верхним приводом буровой установки) с последующим замером величины момента М_р.р (момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД).

Зная величину момента на роторе (верхнем приводе буровой установке) в М_р.х и длину бурильной колонны, которая испытывает только растягивающие напряжения, определяют силу трения о горную породу без нагрузки.

После создания осевой нагрузки на долото замера рабочего давления на стояке буровой установки (верхнем приводе) и рабочего момента на роторе М_р.р. определяют силу трения бурильной колонны о стенки скважины. За счет интенсивного искривления горизонтальных скважин возникают потери устойчивости бурильной колонны, в результате чего она испытывает как растягивающие, так и сжимающие напряжения. В результате сжимающих напряжений бурильная колонна принимает спиралеобразную форму. При этом возникает сила трения - кручения, действующая по длине окружности скважины. Сила трения - кручения бурильной колонны направлена противоположено создаваемой осевой нагрузке на долото и определяется как разность .

Зная осевую нагрузку по станции ГТИ G_ос.ГТИ, рассчитанную только по изменению (потери) веса на крюке буровой установки по показателям ГИВ (гидравлический индикатор веса), определяют фактическую осевую нагрузку на долото:

где G_oc.ГТИ - осевая нагрузка на долото по станции ГТИ, Н;

М_р.х - момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу, Нм;

М_р.р - момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД, Нм;

D_скв. - диаметр скважины, м.

Также в процессе бурения по вышеизложенному способу возможно определение фактической осевой нагрузки при работе двигателя в тормозном режиме. Для этого необходимо определить величину момента на роторе при работе ВЗД в тормозном режиме М_т.р и по вышеприведенной формуле определить фактическую осевую нагрузку на долото в тормозном режиме работы ВЗД.

Определение фактической осевой нагрузки позволит увеличить эффективность бурения горизонтальных и наклонно-направленных скважин, а также повысить надежность винтового забойного двигателя и породоразрушающего инструмента (долота).

Способ контроля осевой нагрузки на долото при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин винтовым забойным двигателем, включающий определение давления на стояке буровой установки в холостом режиме работы винтового забойного двигателя (долото над забоем), создание необходимой нагрузки на долото разгруженным весом бурильной колонны на забой, определяемой по станции геолого-технических исследований (ГТИ), до тех пор, пока давление на стояке не вырастет на величину разницы давлений в рабочем и холостом режимах работы двигателя, определенных по его характеристике, отличающийся тем, что после запуска винтового забойного двигателя (над забоем), при работе его в режиме холостого хода производят проворачивание бурильной колонны с последующим замером величины момента М_р.х - момент на роторе в режиме работы двигателя на холостом ходу, после этого создают осевую нагрузку на долото и производят проворачивание бурильной колонны с последующим замером величины момента на роторе М_р.р - момент на роторе в рабочем режиме работы двигателя, при этом фактическую осевую нагрузку на долото определяют по формуле:

где G_oc.гти - осевая нагрузка на долото по станции ГТИ, Н;
М_р.х - момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу, Нм;
М_р.р - момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД, Нм;
D_скв - диаметр скважины, м.