Способ проводки наклонно-направленной скважины

Заявляемое изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к области бурения наклонно-направленных скважин. Заявляемый способ включает бурение вертикального участка скважины и последующее бурение интервала до забоя. Новым в способе является то, что после бурения вертикального участка скважины осуществляют бурение однопрофильного бесступенчатого участка по траектории, горизонтальные и вертикальные точки которой определяются из математической формулы с учетом линейного масштабного коэффициента, зенитного угла и коэффициента трения. За счет уменьшения сопротивления движению бурильной колонны и внутрискважинного оборудования по траектории, определенной из данного соотношения, позволяет сократить энергозатраты и время строительства наклонно-направленной скважины. 3 ил.

 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к области бурения наклонно-направленных скважин.

Известен способ бурения наклонно-направленных скважин, 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.

В общем случае профиль таких скважин определяется дугами окружности и прямолинейными участками (см., например, Калинин А.Г., Никитин Б.А., Солодкий К.М., Повалихин А.С. Профили направленных скважин и компоновки низа бурильной колонны. М., Недра, 1995, с.21-23).

Бурение многоинтервальной наклонно-направленной скважины связано с необходимостью преодоления значительного сопротивления движению бурильной (обсадной) колонны, обусловленного силами трения. В ряде случаев искривление скважин приводит к значительному увеличению сопротивления движению, когда колонна перестает двигаться под действием собственного веса. Кроме того, переход от одного участка к другому практически происходит с отклонением от проектного профиля, что создает дополнительное сопротивление движению колонны. Уменьшение сил сопротивления при строительстве наклонно-направленных скважин возможно уменьшением числа участков в траектории скважин.

Известен способ проводки наклонно-направленных скважин по профилю цепной линии, который может быть использован для плавного набора угла наклона ствола скважины и уменьшения трения при движении инструмента, в то же время такая скважина значительно длиннее пробуренной указанным выше способом (патент США №444024, НКИ 175/61, М.Кл. E21B 7/08).

Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является способ проводки направленной скважины по плавной траектории (патент РФ №2270907, Кл. Е21В 7/08). Бурение интервала скважины от вертикального участка (точка забуривания) до забоя осуществляют по плавной кривой по траектории с уменьшающимся радиусом кривизны, при этом участки профиля скважины сопрягаются между собой посредством бурения дополнительного интервала с монотонно изменяющимся по длине радиусом кривизны. По указанному способу формируется многоступенчатый профиль скважины. Плавные переходы на разных участках скважины способствуют повышению качества цементирования, но при этом значительно осложняется технология реализации профиля кривых сопряжения. Профиль скважины не обеспечивает ускоренный спуск колонны в скважину.

Задачей изобретения является снижение энергозатрат и сокращение времени строительства наклонно-направленной скважины за счет уменьшения сопротивления движению бурильной (обсадной) колонны и внутрискважинного оборудования.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе проводки наклонно-направленной скважины, включающем бурение вертикального участка и последующее бурение до забоя, после бурения вертикального участка осуществляют бурение до забоя однопрофильного бесступенчатого участка по траектории, которая выполняется по кривой, определяемой из соотношения:

где x - горизонтальная координата точек траектории;

y - вертикальная координата точек траектории;

- зенитный угол;

µ - коэффициент трения;

H - линейный масштабный коэффициент.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Кривая обеспечивает наибыстрейший спуск материальной частицы под действием силы тяжести из точки А в точку В (фиг.1), с учетом сил сопротивления движению частицы. P - сила гравитации, F - сила трения.

Траектория кривой обладает некоторыми геометрическими особенностями:

- непрерывное плавное изменение зенитного угла по мере углубления скважины в пределах 0≤θ≤θ_мax≤π;

- в точке зарезки А кривая касается оси у, в точке В наклонена к оси y под углом ;

радиус искривления изменяется непрерывно в каждой точке кривой в направлении от А до В.

Как показывает анализ траекторий наклонно-направленных скважин, наиболее эффективным способом бурения, обеспечивающим минимальное сопротивление движению бурильной (обсадной) колонны и внутрискважинного оборудования под действием собственного веса и сил трения, является проводка однопрофильной скважины со следующими характеристиками:

1. Скважина состоит из вертикального участка и однопрофильного бесступенчатого направленного участка, начинающегося в точке зарезки А и заканчивающегося в точке В на забое.

2. Однопрофильный бесступенчатый участок представляет собой плавную кривую с увеличивающимся в процессе бурения зенитным углом 0≤θ≤θ_мax.

3. Форма кривой траектории скважины учитывает силы трения при бурении скважин.

4. Траектория скважины обеспечивает минимальное время и минимальное сопротивление движению колонн (бурильных, обсадных, эксплуатационных), геофизического и внутрискважинного оборудования.

5. Траектория скважины обеспечивает уменьшение наибольшего усилия при подъеме бурильной колонны, геофизического и внутрискважинного оборудования

Р_под. по сравнению с их весом Q.

Алгоритм построения профиля скважины, с произвольным значением коэффициента трения µ и заданными координатами точки забуривания и забоя, следующий:

1. Вычисляется отношение горизонтального отклонения скважины к

ее глубине в интервале ниже точки забуривания: (h - глубина скважины по вертикали, м; h₀ - глубина зарезки, м; l - отклонение забоя от вертикали, м).

Значение λ сравнивается с аналогичным геометрическим параметром кривой: . Здесь возможны два варианта:.

1.1. Если λ>к, то предельное значение параметра θ_мах=π. В этом

случае масштабный коэффициент: .

1.2. Если λ<к, следовательно, θ<π. В этом случае предельное значение параметра

θ_мах определяется из соотношения:

Зная θ_мах, масштабный коэффициент Н находим из равенства

Далее по значениям θ_мах и Н строится кривая от точки забуривания до забоя.

Протяженность ствола скважины определяется по формуле:

Примеры построения траектории наклонно-направленной скважины.

Пример 1. На проектирование траектории скважины выданы следующие показатели:

- глубина скважины по вертикали h=2200 м;

- вертикальный участок (глубина зарезки) h₀=400 м;

- отклонение забоя от вертикали l=2350 м;

- коэффициент трения µ=0,3.

Величина

Значение масштабного коэффициента:

Подставив Н в приведенные выше формулы (1), получим

0<θ≤π.

Определив координаты x и y для различных значений параметра в, получим траекторию наклонно-направленной скважины, изображенную на фиг.2.

Протяженность кривой;

Общая длина ствола скважины: 400+3180=3580 м.

Пример 2. Данные на проектирование профиля скважины:

- глубина скважины по вертикали h=3600 м;

- вертикальный участок (глубина зарезки) h₀=685 м;

- отклонение забоя от вертикали l=3300 м;

- коэффициент трения µ=0,3.

Значения:

Предельное значение параметра θ_мах определяем из (2)

Зная θ_мах=2,924, вычисляем величину масштабного коэффициента Н из соотношения (3)

Подставив значение Я в формулы (1), получим

0<θ≤π

Определив координаты x и y, получим траекторию наклонно-направленной скважины, изображенную на фиг.3.

Протяженность траектории:

Общая длина ствола скважины: 685+4760=5445 м.

Предложенный способ проводки наклонно-направленных скважин обеспечивает:

- уменьшение времени и сопротивления движению колонн, геофизического и внутрискважинного оборудования при спуско-подъемных операциях;

- уменьшение осевых усилий при подъеме колонн, геофизического и внутрискважинного оборудования из скважины;

- уменьшение крутящего момента при вращении колонн;

- повышение точности регулирования нагрузки на долото;

- повышение качества цементирования обсадных колонн;

- уменьшение потребной мощности для буровых установок;

- сбережение энергозатрат на строительство скважины.

В целях практической проверки предложенного способа проводки наклонно-направленных скважин на шельфе Вьетнама были пробурены три скважины, подтвердившие уменьшение сил сопротивления на 10-20% при движении бурильной и обсадной колонны (диаметр 340 и 245 мм, глубина спуска 3800-4000 м), энергозатрат на 20-25%.

Способ проводки наклонно-направленной скважины, включающий бурение вертикального участка скважины и последующее бурение интервала до забоя, отличающийся тем, что после бурения вертикального участка скважины осуществляют бурение однопрофильного бесступенчатого участка по траектории, которая определяется из соотношения:


где х - горизонтальная координата точек траектории;
у - вертикальная координата точек траектории;
- зенитный угол;
µ - коэффициент трения;
H - линейный масштабный коэффициент.