СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН ОТКЛОНИТЕЛЕМ С НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ШТАНГОЙ Российский патент 1996 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Известен способ направленного бурения скважины шарнирной компоновкой с направляющей штангой, при котором в процессе бурения удерживают ось нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины, а искривление скважины осуществляют смешением верхнего конца направляющей штанги от оси скважины к ее нижней стенке под действием соответствующей составляющей веса компоновки (1).

В данном способе направленного бурения отсутствует надежная фиксация верхнего конца направляющей штанги у нижней стенки скважины, что не позволяет получить расчетные значения интенсивности искривления ствола скважины. Кроме того, способ не применим для искривления вертикальных скважин, т.к. составляющей веса верхней части направляющей штанги, прижимающей ее к нижней стенке ствола скважины, будет недостаточно для надежного удержания ее у этой стенке в процессе бурения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ направленного бурения скважин отклонителем с направляющей штангой, при котором в процессе бурения удерживают ось нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины, а искривление ствола скважины, осуществляют смещением верхнего конца направляющей штанги от оси скважины к стенке ствола скважины, противоположной направлению искривления, и удержанием его у этой стенки (2).

В этом способе направленного бурения смещение и удержание верхнего конца направляющей штанги для обеспечения искривления ствола скважины осуществляют за счет упругой силы опорных планок децентратора, размещенного у верхнего конца направляющей штанги. Однако, прототип не содержит рекомендаций по определению величины упругой силы опорных планок децентратора в зависимости от геолого- технических условий бурения искривляемого интервала скважины. Поэтому сведений из прототипа недостаточно, чтобы надежно обеспечить устойчивое положение направляющей штанги относительно стенок скважины при бурении, что не позволит выдержать заданную интенсивность искривления ствола скважины.

Изобретение направлено на решение задачи по повышению точности проводки скважины. При осуществлении изобретения обеспечивается устойчивое положение направляющей штанги относительно стенок скважины. Для этого определяется необходимая величина силы, достаточная для смешения и удержания верхнего конца направляющей штанги у заданной стенки скважины, которая гарантирует его устойчивое положение относительно стенок скважины в процессе бурения, т. к. в этом случае учитываются основные геолого-технические факторы, выраженные через силы и моменты, действующие на направляющую штангу в плоскости искривления ствола скважины.

Для этого, в способе направленного бурения скважин отклонителем с направляющей штангой, при котором в процессе бурения удерживают ось нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины, а искривление ствола скважины осуществляют смешением верхнего конца направляющей штанги от оси скважины к стенке ствола скважины противоположной направлению искривления и удержанием его у этой стенки, при этом удержание верхнего конца направляющей штанги осуществляют усилием F_c, определяемом из соотношения:
F_c≥(Fal_д/l_c)+(M_з+M_в)/l_c
где F_a= 0,5 σ_пр•s_к•h•sin2(θ_o-Φ) отклоняющая сила, действующая на долото в анизотропных породах, кН;
l_д плечо действия отклоняющей силы, м;
l_c плечо действия силы F_c, м;
М_в момент сил сопротивления, действующих на верхний конец направляющей штанги в плоскости искривления скважины, кНм;
M_з= 2D•σ_пр•s_к/9π- момент сил сопротивления породы повороту долота в плоскости искривления ствола скважины. кНм;
σ_пр прочность разбуриваемых пород, кН/мм²;
S_k эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм²;
h индекс анизотропии разбуриваемых пород;
θ_o угол падения пластов разбуриваемых пород, град;
Φ зенитный угол ствола скважины, град;
D диаметр долота, м.

Предложенное соотношение получено из уравнения моментов сил, действующих на направляющую штангу в плоскости искривления скважины. При этом для обеспечения заданного относительно стенок ствола скважины устойчивого положения направляющей штанги в процессе бурения, момент от F_c, прижимающий верхний конец направляющей штанги к противоположной направлению искривления стенке ствола скважины, должен быть равен или превышать сумму остальных моментов, действующих на направляющую штангу в плоскости искривления скважины, т.е.

F_cl_c≥Fal_д+M_з+M_в
отсюда:
F_c≥Fal_д/l_c+(M_з+M_в)/l_c
Надежное удержание в процессе бурения верхнего конца направляющей штанги у заданной стенки скважины с усилием, определяемым из вышеуказанного соотношения, обеспечивает проводку ствола скважины в заданном направлении с требуемой точностью.

На чертеже схематично изображен отклонитель для реализации способа направленного бурения скважин.

Способ направленного бурения скважин может быть реализован, например, с помощью шарнирного отклонителя, содержащего долото 1, установленное на нижнем конце направляющей штанги 2, опорноцентрирующий элемент в виде ствола 3 и установленного на нем с возможностью вращения каркаса 4 с опорными планками 5. На верхнем конце направляющей штанги 2 расположена шарнирная муфта 6, соединенная с валом 7 турбобура или забойного двигателя другого типа. Децентратор 8 с опорными планками 9 закреплен верхним концом на корпусе 10 шпинделя турбобура.

Способ направленного бурения скважин заключается в том, что благодаря деформации опорных планок 5, каркас 4 опорно-центрирующего элемента в процессе бурения надежно удерживает ось нижнего конца направляющей штанги 2 с долотом 1 в центре поперечного сечения ствола скважины даже в случаях изменения ее фактического диаметра при прохождения различных пород. При этом, опорные планки 5, взаимодействуя со стенками скважины, препятствуют провороту каркаса 4 в скважине, а ствол 3 опорно-центрирующего элемента свободно вращается в радиальной опоре скольжения (не показана) каркаса 4. Таким образом, ось вращения долота 1 будет располагаться в центре поперечного сечения ствола скважины при ее углублении, а каркас 4 поступательно перемещаться вдоль ствола скважины вместе с долотом 1.

Искривление ствола скважины осуществляют смешением верхнего конца направляющей штанги 2 к стенке ствола скважины, противоположной направлению искривления и удержанием его у этой стенки. Данный эффект обеспечивается ориентированием должным образом опорных планок 9 децентратора 8, путем поворота с поверхности статорной системы турбобура. Сила F_c, удерживающая верхний конец направляющей штанги у стенки ствола скважины, создается в результате упругой деформации опорных планок 9 децентратора 8 и должна соответствовать величине, определяемой из выражения:
F_c≥(Fal_д/l_c)+(M_з+M_в)/l_c
где F_a= 0,5 σ_пр•s_к•h•sin2(θ_o-Φ) отклоняющая сила, действующая на долото в анизотропных породах, кН;
l_д плечо действия отклоняющей силы, м;
l_c плечо действия силы F_c, м;
M_в момент сил сопротивления, действующих на верхний конец направляющей штанги в плоскости искривления скважины, кНм;
M_з= 2D•σ_пр•s_к/9π- момент сил сопротивления породы повороту долота в плоскости искривления ствола скважины, кНм;
σ_пр прочность разбуриваемых пород, кН/мм²;
Sk эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм²;
h индекс анизотропии разбуриваемых пород;
θ_o угол падения пластов разбуриваемых пород. град;
Φ- зенитный угол ствола скважины, град;
D диаметр долота, м.

Для полученной величины силы, удерживающей верхний конец направляющей штанги, интенсивность искривления ствола скважины i определяется по формуле:
i=(D_c-D_т)/L_l [рад/м]
где D_c=D диаметр скважины, м;
D_т диаметр верхнего конца направляющей штанги, м;
L длина направляющей штанги, м;
l= l_c расстояние от верхнего конца направляющей штанги до центра опорно-центрирующего элемента, м.

А радиус R искривления по формуле:
R=l/i [м]
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает проводку наклонно направленных и горизонтальных скважин с расчетной точностью, поскольку, учитывает основные геологотехнические факторы, выраженные через силы и моменты, действующие на направляющую штангу в плоскости искривления ствола скважины.

Пример реализации способа направленного бурения скважин.

Исходные данные приведены по результатам бурения наклоннонапpавленных скважин. Изображенный на чертеже отклонитель предназначен для набора зенитного угла.

Основные геолого-технические данные:
σ_пр= 1,4 кН/мм²,, S_k= 100 мм², h=0,08, θ_o= 30 град.,, Φ = 45 град.,, D= 0,2953 м, D_т=0,265 м, M_в=2 кНм, L=5,2 м, l=4,2 м, l_д=1,0 м, l_c=4,2 м.

Определяем F_a и M_з:


Тогда:
F_c≥Fal_д/l(_c+(М_з+M_в)/l_c= 2,8x1/4,2+(2+2,94)/4,2=1,85 кН кН
Cледовательно, F_c создаваемая в результате упругой деформации опорных планок децентратора, должна быть более 1,85 кН. Для этой цели выбираем децентратор с наружным диаметром D=315 мм, который при деформации в стволе скважины на 20 мм обеспечивает F_c=3,0 кН.

Определяем интенсивность набора зенитного угла.

i=(D-D_т)/L_l=(0,2953-0,265)/5,2х4,2=0,0014 рад/м или 0,078 град/м.

Таким образом, использование в отклонителе децентратора, обеспечивающего прижатие верхнего конца направляющей штанги к нижней стенке ствола с силой F_c>1,85 кН, позволяет производить набор зенитного угла с постоянной интенсивностью 0,78 град на 10 м.

Использование: для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Сущность изобретения: при бурении ось нижнего конца направляющей штанги с долотом удерживают в центре поперечного сечения ствола скважины каркасом опорно-центрирующего элемента, а искривление ствола скважины осуществляют смещением и гарантированным удержанием верхнего конца направляющей штанги децентратором на стенке ствола скважины, противоположной направлению искривления. Усилие удержания (F_c указанного конца определяют из соотношения:
F_c≥ F_a•l_д/l_c+M_з + _в)/l_c,
где F_a= 0,5 σ_пр•s_к•h•sin2(θ-4)- - отклоняющая сила, действующая на долото в анизотропных породах, кН; l_д - плечо действия отклоняющей силы, м; l_c - плечо действия силы F_c, м; M_в - момент сил сопротивления, действующих на верхний конец направляющей штанги в плоскости искривления ствола скважины, кНм; M_з= 2D•σ_пр•s_к/9π- момент сил сопротивления породы повороту долота в плоскости искривления ствола скважины, кНм; σ_пр - прочность разбуриваемых пород, кН/мм²; S_k - эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота, на забое скважины, мм²; h - индекс анизотропии разбуриваемых пород; θ - угол падения пластов разбуриваемых пород, град; v - зенитый угол ствола скважины; град; D - диаметр долота, м, 1 ил.

Способ направленного бурения скважин отклонителем с направляющей штангой, при котором в процессе бурения удерживают ось нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины, а искривление ствола скважины осуществляют смещением верхнего конца направляющей штанги от оси скважины к стенке ствола скважины, противоположной направлению искривления, и удержанием его у этой стенки, отличающийся тем, что удержание верхнего конца направляющей штанги осуществляют усилием F_с, определяемым из соотношения

где
F_a=0,5σ_пр•S_р•h•sin2(θo-Φ)
отклоняющая сила, действующая на долото в анизотропных породах, кН;
l_д плечо действия отклоняющей силы, м;
l_с плечо действия силы, м;
М_в момент сил сопротивления, действующих на верхний конец направляющей штанги в плоскости искривления скважины, кНм;

момент сил сопротивления породы повороту долота в плоскости искривления скважины, кНм;
σ_пр прочность разбуривания пород, кН/мм²;
S_к эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм²;
h индекс анизотропии разбуриваемых пород;
θ_o угол падения пластов разбуриваемых пород, град.

Φ зенитный угол ствола скважины, град.

D диаметр долота, м.