Способ направленного бурения с коррекцией траектории скважины

Изобретение относится к способам регулирования режимных параметров процесса бурения и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности при бурении наклонных нефтяных и газовых скважин. Способ направленного бурения включает управление траекторией скважины подачей на буровой инструмент осевой нагрузки и крутящих моментов посредством верхнего силового привода. При этом сначала устанавливают отклонитель забойного двигателя в скважине в заданное положение однократной подачей на буровой инструмент соответствующего крутящего момента или неоднократной последовательной подачей на буровой инструмент соответствующих разных по величине и меняющихся по направлению крутящих моментов. Затем осуществляют разрушение породы в заданном направлении подачей на долото крутящих моментов, обеспечивающих вращение долота вокруг оси скважины или касательной к ней. При этом скорость вращения долота вокруг оси скважины или касательной к ней устанавливают такой, чтобы разрушение породы в заданном направлении осуществлялось в течение отрезка времени, соответствующего половине оборота долота вокруг оси скважины или касательной к ней, более длительного, чем отрезок времени разрушения породы, соответствующий другой половине оборота долота вокруг оси скважины или касательной к ней. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности бурения наклонных участков скважины, увеличение срока эксплуатации бурового инструмента, увеличение скорости проходки и обеспечение более плавного перехода на наклонный участок скважины, сохранение диаметра пробуриваемой скважины при переходе на наклонный участок, расширение потребительских функций. 1 ил.

 

Изобретение относится к способам регулирования режимных параметров процесса бурения и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности при бурении наклонных нефтяных и газовых скважин с использованием винтовых забойных двигателей.

Известен способ бурения с контролем режима работы гидравлического забойного двигателя в забойных условиях, включающий замеры показаний давления в нагнетательной линии под нагрузкой и без нагрузки на долото, поддержание постоянной разницы замеренных показаний давлений, определение максимально допустимой величины скорости подачи, осуществление замеров скорости подачи долота и снижение ее до допустимых значений (RU 2508447 C1, Е21В 44/00, Е21В 4/02, опубл. 27.02.2014 Бюл. 6). Однако указанный способ контроля работы гидравлического забойного двигателя недостаточно эффективен, учитывает в процессе бурения ограниченное количество рабочих параметров буровой установки и не обеспечивает в процессе бурения корректировки траектории ствола скважины.

Известно устройство подачи бурового инструмента, реализующее способ бурения с автоматическим регулированием подачи бурового инструмента, основанный на поддержании постоянства крутящего момента на долоте и уменьшении колебаний низа бурильной колонны за счет контролируемого давления в манифольдной линии (RU 2013531 C1, Е21В 44/00, опубл. 13.05.1994). Указанный способ не ограничивает скорость подачи бурового инструмента, что является причиной преждевременного износа долота из-за его ударов о забой и перегруза при резкой смене разных по твердости горных пород. Превышение скорости бурения над скоростью восходящего потока бурового раствора часто приводит к закупорке кольцевого пространства выбуренными частицами породы. Недостатком способа является и то, что им не производится корректировка траектории скважины.

Известен способ бурения с автоматическим регулированием подачи бурового инструмента в процессе бурения, включающим замер величины давления промывочной жидкости в манифольдной линии, сравнение ее с заданной и максимально допустимой величинами и управление исполнительным механизмом подачи бурового инструмента в зависимости от результатов сравнения, осуществление замеров дополнительных рабочих параметров бурения, параметров холостого хода, увеличение или уменьшение скорости подачи бурового инструмента (RU 2681325 C1, Е21В 44/02, опубл. 06.03.2019 Бюл. 7). Недостатками данного способа бурения являются низкая надежность, связанная с необходимостью сбора информации с большого количества датчиков, высокая трудоемкость настройки. Способ также не предусматривает бурения наклонных скважин с корректировкой их траектории.

Известен способ бурения наклонных и горизонтальных участков скважины, предусматривающий бурение наклонных скважин с корректировкой их траектории, использующий для формирования наклонных участков скважины метод скольжения (проталкивания в породу) отклонителя винтового забойного двигателя (далее - отклонителя) (Slide Drilling - Farther and Faster). Отклонители предназначены для создания на долоте отклоняющего усилия или наклона оси долота к оси скважины с целью искривления скважины в заданном направлении. Недостатком метода является то, что бурение участка с изменением траектории осуществляют без вращения низа бурильной колонны, что снижает эффективность бурения наклонных участков скважины и уменьшает их диаметр, подвергает буровой инструмент дополнительному износу.

Известен способ и устройство направленного бурения (скольжения), также использующий для бурения скважин винтовые забойные двигатели с изгибом (отклонителем) на корпусе (IADC/SPE 92558, SPE/IADC Drilling Conference, Амстердам, Нидерланды, 23-25 февраля 2005 г.). Отклонители винтовых забойных двигателей позволяют долоту разрушать породу и формировать наклонную скважину в заданном направлении при подаче на него осевой нагрузки без вращения. Однако направленное бурение в режиме скольжения, происходящее под воздействием на долото тангенциальных сил, обладает рядом недостатков. Диаметр прямолинейных участков скважины всегда больше диаметра скважины с меняющейся интенсивностью искривления. Оно менее эффективно по сравнению с бурением в режиме вращения, требует контроля и установки положения отклонителя винтового забойного двигателя после прохождения каждого участка скважины с неизменной интенсивностью искривления. Кроме того, для установки отклонителя в заданном направлении необходимо учитывать силы, противодействующие вращению колонны бурильных труб. Для того чтобы положение отклонителя оставалось относительно постоянным, поворот колонны бурильных труб осуществляют на несколько больший угол. Другим недостатком способа является неэффективное удаление образующихся при бурении частиц породы и увеличение их количества в нижней части скважины.

Скапливающиеся в забое частицы породы могут привести к прихвату долота, прилипанию бурильных труб к стенкам скважины и созданию аварийной ситуации. Все это приводит к тому, что при использовании указанного способа направленного бурения скорость проходки меньше примерно на 80% по сравнению со скоростью проходки скважины при вращении колонны бурильных труб. Так как прямые и искривленные участки скважины бурят долотами одного и того же типоразмера, к недостаткам способа можно отнести и то, что диаметр скважины, пробуриваемой методом проталкивания долота в породу меньше чем на участке с вращением долота вокруг оси скважины или касательной к ней.

Указанный способ направленного бурения по назначению и своим техническим характеристикам является наиболее близким к заявляемому техническому решению и принят за прототип.

Перед изобретением была поставлена задача повышения надежности и эффективности бурения наклонных участков скважины, увеличение срока эксплуатации бурового инструмента, увеличения скорости проходки и обеспечения более плавного перехода на наклонный участок скважины, сохранения диаметра пробуриваемой скважины при переходе на наклонный участок, расширения потребительских функций.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности бурения наклонных участков скважины, увеличение срока эксплуатации бурового инструмента, увеличение скорости проходки и обеспечение более плавного перехода на наклонный участок скважины, сохранение диаметра пробуриваемой скважины при переходе на наклонный участок, расширение потребительских функций. Технический результат достигается за счет того, что в способе направленного бурения, включающим управление траекторией скважины подачей на буровой инструмент осевой нагрузки и крутящих моментов посредством верхнего силового привода, сначала устанавливают отклонитель забойного двигателя (далее - отклонитель) в скважине в заданное положение однократной подачей на буровой инструмент соответствующего крутящего момента или неоднократной последовательной подачей на буровой инструмент соответствующих разных по величине и меняющихся по направлению крутящих моментов, затем осуществляют разрушение породы в заданном направлении подачей на долото крутящих моментов, обеспечивающих вращение долота вокруг оси скважины (оси ствола скважины) или касательной к ней, при этом скорость вращения долота вокруг оси скважины или касательной к ней устанавливают такой, чтобы разрушение породы в заданном направлении осуществлялось в течение отрезка времени, соответствующего половине оборота долота вокруг оси скважины или касательной к ней, более длительного, чем отрезок времени разрушения породы, соответствующий другой половине оборота долота вокруг оси скважины или касательной к ней. Очевидно, что отрезку времени, соответствующему половине оборота долота вокруг оси скважины или касательной к ней, который является более длительным, соответствует меньшая скорость вращения долота вокруг оси скважины или касательной к ней, и что отрезку времени, соответствующему другой половине оборота долота вокруг оси скважины или касательной к ней, более короткого по времени, соответствует большая скорость вращения долота вокруг оси скважины или касательной к ней. При этом отклонение траектории скважины будет осуществляться в том направлении, в котором скорость вращения долота вокруг оси скважины или касательной к ней будет меньше. Очевидно, что интенсивность искривления скважины обратно пропорциональна скорости вращения долота вокруг оси скважины или касательной к ней.

На чертеже условно показано устройство направленного бурения.

Устройство направленного бурения содержит отклонитель 1 забойного двигателя с долотом 2 и дистанционной системой 3 измерения положения отклонителя 1 в процессе бурения, верхний силовой привод 4, приводящий в движение буровую колонну с бурильным инструментом и корректирующий траекторию скважины 5 по сигналам с вычислительного устройства 6, каналы связи 7 и 8, соединяющие дистанционную систему 3 измерения положения отклонителя 1 с вычислительным устройством 6 и вычислительное устройство 6 с верхним силовым приводом 4, соответственно.

Устройство направленного бурения работает следующим образом. Конструкция устройства и использование предлагаемого способа направленного бурения основаны на том, что вращающаяся в скважине колонна бурильных труб практически не испытывает в осевом направлении сопротивления трения, если скорость вращения намного больше осевой скорости движения колонны. Коэффициент трения в точке предстоящего движения является коэффициентом статического трения и примерно на 25% больше коэффициента динамического трения после начала движения и почти не зависит от скорости скольжения трубы, но при этом он значительно больше до начала движения. Даже в чистой скважине колонна бурильных труб испытывает трение со стороны стенок скважины, что затрудняет ее продвижение в скважине. Это трение затрудняет поддержание постоянной осевой нагрузки на долото.

С учетом указанного выше, заявляемый способ направленного бурения с коррекцией траектории скважины предусматривает бурение наклонного участка скважины при сохранении вращения колонны бурильных труб. Вращение колонны бурильных труб достигается как на прямолинейных, так и наклонных участках скважины с меняющейся интенсивностью искривления. Для этого дистанционная система 3 измерения положения отклонителя 1 в процессе бурения передает исходные данные о положении отклонителя 1 забойного двигателя в вычислительное устройство 6 по каналу связи 7. Вычислительное устройство 6 обрабатывает полученную информацию и по каналу связи 8 выдает необходимые команды верхнему силовому приводу 4. Верхний силовой привод 4 корректирует в ту или иную сторону величину и направление крутящих моментов, подаваемых на бурильный инструмент и вращающий долото 2 вокруг оси скважины 5 или касательной к ее оси со скоростью, обеспечивающей бурение в заданном направлении с заданной интенсивностью изменения пространственного положения скважины 5.

Указанное выше устройство, предназначенное для реализации способа направленного бурения, реализует заявляемый способ направленного бурения, а именно, способ, включающий управление траекторией скважины 5 подачей на буровой инструмент осевой нагрузки и крутящих моментов посредством верхнего силового привода 4, когда сначала устанавливают отклонитель 1 забойного двигателя с долотом 2 в скважине 5 в заданное положение однократной подачей на буровой инструмент соответствующего крутящего момента или неоднократной последовательной подачей на буровой инструмент соответствующих разных по величине и меняющихся по направлению крутящих моментов, затем осуществляют разрушение породы в заданном направлении подачей на долото 2 крутящих моментов, обеспечивающих вращение долота 2 вокруг оси скважины 5 или касательной к ней, при этом скорость вращения долота 2 вокруг оси скважины 5 или касательной к ней устанавливают такой, чтобы разрушение породы в заданном направлении осуществлялось в течение отрезка времени, соответствующего половине оборота долота 2 вокруг оси скважины 5 или касательной к ней, более длительного, чем отрезок времени разрушения породы, соответствующий другой половине оборота долота 2 вокруг оси скважины 5 или касательной к ней., при этом отклонитель забойного двигателя с дистанционной системой измерения его положения в процессе бурения, находящееся на поверхности вычислительное устройство, корректирующее, с учетом информации указанной дистанционной системы измерения о фактическом положении отклонителя забойного двигателя относительно заданной траектории скважины, величину и/или направление крутящих моментов, подаваемых на буровой инструмент и обеспечивающих соответствующую скорость вращения долота вокруг оси скважины или касательной к ней.

Наиболее близким по назначению и техническим характеристикам к предлагаемому выше устройству направленного бурения является принятое за прототип устройство и способ направленного бурения (скольжения), использующие для бурения отклонители винтовых забойных двигателей (IADC/SPE 92558, SPE/IADC Drilling Conference, Амстердам, Нидерланды, 23-25 февраля 2005 г.). Недостатком указанного устройства является его низкая эффективность при бурении верхних интервалов скважин.

Технический результат предлагаемого устройства аналогичен техническому результату, указанному выше для заявляемого способа направленного бурения и заключается в повышении надежности и эффективности бурения наклонных участков скважины, увеличении срока эксплуатации бурового инструмента, сокращении энергозатрат, увеличении скорости проходки и обеспечении более плавного перехода на наклонный участок скважины, сохранении диаметра пробуриваемой скважины при переходе на наклонный участок, расширении потребительских функций. От прототипа заявленное изобретение отличается тем, что содержит отклонитель 1 с забойным двигателем и долотом 2 и дистанционную систему 3 измерения его положения в процессе бурения, находящееся на поверхности вычислительное устройство 6, корректирующее, с учетом информации дистанционной системы измерения о фактическом положении отклонителя 1 винтового забойного двигателя относительно заданной траектории скважины, величину и/или направление крутящих моментов, подаваемых на буровой инструмент и обеспечивающих соответствующую скорость вращения долота вокруг оси скважины или касательной к ней.

Проведенные испытания показали высокую эффективность предлагаемого способа направленного бурения с коррекцией траектории скважины и достижение заявленного технического результата. Скорость проходки участков скважины с изменяющейся интенсивностью искривления, к примеру, увеличилась более чем в 1,3 раза, при этом уменьшались осевые ударные нагрузки на долото, что способствовало увеличению срока его эксплуатации. Обеспечивался более плавный переход на прямолинейный участок скважины.

Таким образом, предлагаемая совокупность существенных признаков приводит к достижению заявляемого технического результата, а заявляемое техническое решение отвечает критериям патентоспособности изобретения - новизне, изобретательскому уровню, промышленной применимости.

Способ направленного бурения, включающий управление траекторией скважины подачей на буровой инструмент осевой нагрузки и крутящих моментов посредством верхнего силового привода, отличающийся тем, что сначала устанавливают отклонитель забойного двигателя в скважине в заданное положение однократной подачей на буровой инструмент соответствующего крутящего момента или неоднократной последовательной подачей на буровой инструмент соответствующих разных по величине и меняющихся по направлению крутящих моментов, затем осуществляют разрушение породы в заданном направлении подачей на долото крутящих моментов, обеспечивающих вращение долота вокруг оси скважины или касательной к ней, при этом скорость вращения долота вокруг оси скважины или касательной к ней устанавливают такой, чтобы разрушение породы в заданном направлении осуществлялось в течение отрезка времени, соответствующего половине оборота долота вокруг оси скважины или касательной к ней, более длительного, чем отрезок времени разрушения породы, соответствующий другой половине оборота долота вокруг оси скважины или касательной к ней.