ДОЛОТНЫЙ БУР Российский патент 1998 года по МПК E21B10/08 

Изобретение относится к бурению глубоких скважин большого диаметра и может быть использовано с породоразрушающим инструментом, работающим от индивидуального привода.

Известен долотный бур, содержащий корпус, расположенный под нижним торцом корпуса породоразрушающий инструмент в проходящие через корпус и соединенные с породоразрушающим инструментом забойные двигатели. При этом корпус в поперечном сечении выполнен в виде квадрата со скругленными вершинами /1/.

Недостатками известного устройства являются некачественное формирование ствола скважины, большой вес и длина бура, невозможность использования жестких компоновок, расположенных выше бура, и приложения дополнительных осевых нагрузок на бур со стороны этих компоновок, а также эффект поршневания при спуске в скважину и возможность прилипания корпуса бура к стенке скважины.

Наиболее близким аналогом является долотный бур, корпус которого состоит из набора утяжеленных элементов. Под нижним торцом корпуса расположен породоразрушающий инструмент. С породоразрушающим инструментом соединены забойные двигатели, которые проходят через корпус. Над породоразрушающим инструментом расположен калибратор /2/.

Недостатком известного устройства является недостаточно высокая проходка на долото, малая механическая скорость бурения, высокий момент вращения бура, большой вес и длина бура, некачественное формирование ствола скважины, невозможность использования жестких компоновок, расположенных выше бура, и приложения дополнительных осевых нагрузок на бур со стороны этих компоновок, затрудненный вынос шлама в процессе бурения, эффект поршневания при спуске в скважину и возможность прилипания корпуса бура к стенке скважины, а также невозможность обеспечения полного контроля за процессом бурения и эффективного управления процессом бурения и траекторией ствола скважины в сложных горно-геологических условиях бурения.

Технической задачей изобретения является повышение проходки на долото, механической скорости бурения и снижение момента вращения бура за счет устранения прилипания корпуса бура к стенке скважины и улучшение выноса шлама с забоя скважины, уменьшение веса и длины бура за счет нагружения бура со стороны выше расположенных утяжеленных жестких компоновок, качественное формирование ствола скважины за счет уменьшения прогиба корпуса бура под действием осевой нагрузки и лучшей проработки стенки скважины, повышение эффективности бурения за счет обеспечения полного контроля за процессом бурения и эффективного управления процессом бурения в сложных горно-геологических условиях.

В известном долотном буре, содержащем корпус в виде набора утяжеленных элементов, расположенных под нижним торцом корпуса породоразрушающий инструмент, проходящие через корпус и соединенные с породоразрушающим инструментом забойные двигатели и расположенный над породоразрушающим инструментом калибратор, поставленная техническая задача решается тем, что корпус в поперечном сечении имеет форму овала, или прямоугольника, или ромба, или части окружности, ограниченной параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси сечения, калибратор выполнен двухлопастным, закреплен на корпусе в непосредственной близости от породоразрушающего инструмента и расположен в плоскости, которая перпендикулярна плоскости, проходящей через большую ось поперечного сечения корпуса, а забойные двигатели выполнены или в виде винтовых двигателей с уменьшенными скоростями вращения или в виде электродвигателей и размещены в плоскости, проходящей через наибольшую ось поперечного сечения корпуса, при этом наибольший размер поперечного сечения корпуса по отношению к диаметру бура находится в следующих соотношениях: 0,87 ≤ a/D ≤ 0,97, где a - наибольший размер поперечного сечения корпуса, мм; D - диаметр бура, мм.

Техническим результатом является получение жесткого корпуса, обеспечивающего требуемую точность траектории и качество формирования ствола скважины, устранения прилипания ствола корпуса к стенке скважины в процессе бурения, улучшение выноса шлама из забоя скважины, уменьшение веса и длины бура за счет того, что корпус в поперечном сечении имеет форму овала, или прямоугольника, или ромба, ил части окружности, ограниченной параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси поперечного сечения корпуса, а калибратор расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой расположена большая ось сечения корпуса и в непосредственной близости от породоразрушающего инструмента, устойчивая работа бура и лучшее формирование стенок скважины в процессе бурения за счет уменьшения скорости вращения породоразрушающего инструмента, получение полной информации с забоя скважины о работе породоразрушающего инструмента и изменение режима работы бура в процессе бурения в зависимости от горно-геологических условий, а также возможность установки породоразрушающего шарошечного инструмента с герметизированными опорами или безопорного инструмента режущего действия.

На фиг. 1 показан общий вид долотного бура; на фиг. 2 - 5 показаны сечения А-А фиг. 1.

Корпус 1 состоит из набора утяжеленных элементов 2, скрепленных между собой стяжками 3. Под нижним торцом корпуса 1 размещен породоразрушающий инструмент 4. Корпус 1 в поперечном сечении имеет форму овала, или прямоугольника, или ромба, или части окружности, ограниченной параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси поперечного сечения корпуса 1. Через корпус 1 проходят забойные двигатели. Забойных двигателей может быть два, три, четыре и размещены они в плоскости, проходящей через большую ось поперечного сечения корпуса 1. Забойные двигатели могут быть выполнены в виде винтовых двигателей 5, с уменьшенными скоростями вращения, или в виде электродвигателей 6. Забойные двигатели соединены с породоразрушающим инструментом 4.

Винтовые двигатели и электродвигатели по сравнению с турбобурами отличаются более низкой частотой вращения и повышенным крутящим моментом. При их установке в долотном буре гамма используемого породоразрушающего инструмента 4 может быть расширена за счет шарошечных долот с герметизированными опорами и долот режущего действия.

На корпусе 1 закреплен калибратор 7. Калибратор расположен над породоразрушающим инструментом 4 в непосредственной близости от него. Калибратор 7 имеет две лопасти. Лопасти калибратора 7 расположены в плоскости, которая перпендикулярна плоскости, проходящей через большую ось поперечного сечения корпуса 1.

Большой размер поперечного сечения корпуса 1 по отношению к диаметру бура находится в следующей зависимости: 0,87 ≤ a/D ≤ 0,97, где a - наибольший диаметр поперечного сечения корпуса, мм; D - диаметр бура, мм.

Работа долотного бура.

При работе долотного бура корпус 1 получает вращение от ротора, а породоразрушающий инструмент 4 - от забойных двигателей 5 или 6. Корпус 1 не будет касаться стенки скважин поверхностью, расположенной со стороны малой оси поперечного сечения, так как в этом направлении ориентированы лопасти калибратора 7. За счет того, что наибольший размер поперечного сечения корпуса 1 близок к диаметру бура, корпус 1 имеет повышенную жесткость. Это дает возможность выполнять его укороченным и, следовательно, более легким по сравнению с известными конструкциями. За счет того, что корпус 1 по меньшей оси сечения наиболее удален от стенки скважины, будет эффективно удаляться шлам с забоя со стороны этой поверхности корпуса 1. За счет расположения большой оси сечения корпуса 1 и лопастей калибра 7 во взаимоперпендикулярных плоскостях изгиб корпуса 1 будет проходить через каждые 90^o, поскольку изгибающая сила меняет свое направление именно в этом диапазоне, что способствует стабилизации заданного направления и предупреждения его естественного искривления. Указанное сочетание большой оси сечения и лопастей калибратора 7 позволяет обеспечить надежное центрирование бура в скважине при одновременном исключении вероятности прилипания корпуса 1 к стенке скважины, прихвата в процессе бурения, сальникообразования, обеспечивая при этом турбулизацию восходящего шламового потока. Восходящий шламовый поток разделен на два потока корпусом бура и находится в постоянном перемещении за счет вращения корпуса 1. Смена условий взаимодействия восходящего шламового потока и корпуса 1 при повороте на каждые 90^o. исключает сальникообразование на поверхности корпуса 1.

Например, разработанная конструкция бура диаметром 393,7 мм, поперечное сечение которого выполнено в форме эллипса (фиг. 1), имеет максимальный размер поперечного сечения равный 360 мм, а соотношение a/D = 0,914. При этом площадь затрубного пространства составляет 368,9 см², что в 2,15 раза больше, чем при использовании корпуса 1 круглого поперечного сечения того же диаметра.

При расходе бурового раствора 70 л/с скорость восходящего шламового потока в кольцевом пространстве между стенкой скважины и корпусом 1 в известной конструкции будет равна 4,08 м/с, что приводит к размыву стенки скважины, гидроразрыву пород и др., а в долотном буре скорость восходящего шламового потока в затрубном пространстве будет равна 1,9 м/с, т.е. в 2,15 раза ниже, что позволяет избежать осложнений, связанных с разрушением стенки скважины.

Применение долотного бура диаметром 480 мм осуществлялось в сверхглубокой скважине (проектная глубина 8500 м) N 1 - Утвинская ПГО "Уральскнефтегазгеология" при расширении интервала 1298-2112 м (коэффициент расширения Кр = 1,22). Расширение интервала производили за 5 долблений. Средняя проходка на 1 долбление составляла 162,8 м в течение 25,7 ч при механической скорости 6,33 м/ч.

В качестве базы сравнения производили расширение интервала 510-1362 м (Кр = 1,66) серийным долотом диаметром 490 мм в глубокой скважине (проектная глубина 5500 м) N 2 - Ордовик треста "Оренбургаз" за 22 долбления. Средняя проходка за долбление при этом составляла 38,7 м, механическая скорость 0,81 м/ч и стойкость долота 47,7 ч.

Сравнение показателей долотного бура и серийного долота показывает, что средняя проходка на долотной бур и средняя механическая скорость за одно долбление превышают аналогичные показатели серийного долота в 4,21 раза и, соответственно, в 7,81 раза.

Использование забойных винтовых двигателей 5 с уменьшенной скоростью вращения способствует уменьшению динамических колебаний в нижней части бура (поперечных, крутильных и др.) и, соответственно, более устойчивой работе породоразрушающего инструмента 4. В результате лучше прорабатывается стенка скважины и выравниваются геометрические характеристики ее поперечного сечения. Этому будет способствовать также расположение калибратора 7 в непосредственной близости от породоразрушающего инструмента 4, а также расположение его в плоскости, перпендикулярной другой плоскости, проходящей через большую ось поперечного сечения корпуса 1.

Винтовые двигатели с уменьшенной скоростью вращения и повышенным крутящим моментом дают возможность использовать в качестве породоразрушающего инструмента шарошечные долота с герметизированными опорами повышенной долговечности или породоразрушающий безопорный инструмент режущего действия и отличающийся повышенной моментоемкостью.

Использование в качестве забойных двигателей электродвигателей 6 обеспечивает полный контроль и эффективное управление процессом бурения и траекторий ствола скважины за счет наличия электроканалов связи с забоем. Электроканалы с забоем подключаются к телесистеме, которая контролирует пространственное положение ствола скважины во время бурения, к различным техническим средствам, обеспечивающим эффективность процесса бурения, например, это редукторные вставки с различными передаточными отношениями, автоматы подачи долота, регуляторы нагрузки долота и др.

Регулирование частоты вращения электродвигателя на 3-х фазном переменном токе может быть осуществлено путем применения тиристорных установок.

Электродвигатели постоянного тока дают возможность применять более надежный и компактный однопроводный токопровод, дающий возможность значительно уменьшить гидравлические потери в бурильных трубах. В них можно в широком диапазоне осуществлять плавное регулирование частоты вращения долота. Они имеют большую перегрузочную способность по сравнению с электродвигателями переменного тока, что дает возможность увеличить полезную мощность двигателя (Н. К. Байбаков и Б.И.Абызбаев "Проблемы электробурения и возможные пути их решения" в ж-ле "Проблемы электробурения и возможные пути их решения" в ж-ле "Нефтяное хозяйство" N 5, 1996г., с. 26-29).

Особенности системы электробурения позволяют использовать электробур (вместе с телесистемой) в качестве забойных датчиков для получения информации и как инструмента для проведения исследовательских работ, т.е. электробур может одновременно выполнять информативную и реализуемую роли. Использование его в таком качестве может обеспечить получение необходимого объема информации для вывода базовых параметров бурения, а также возможность разработки рациональных технологий не только для электробурения, но и для других способов бурения с учетом специфики бурения скважин большого диаметра. Эта особенность электробурения дает предпосылки для решения задачи по автоматизации процесса бурения.

В сопоставимых условиях скорость бурения и другие технико-экономические показатели бурения в 1,3-1,8 раза выше при бурении электробуром, чем другими широко применяемыми видами привода породоразрушающего инструмента (гидравлического забойного двигателя и ротора). При этом стоимость 1 м проходки дешевле на 10-15%, меньше расход электроэнергии (в 1,3-1,8 раза) и бурильных труб (в 2 раза), а также всего бурового оборудования в результате осуществления технологического процесса на более рациональных режимах и при меньших давлениях в системе промывки.

Электробурение обеспечивает возможность применения энергоресурсберегающих технологий, значительную экономию материалов при проводке скважины, значительно снизить загрязнение окружающей среды, лучше сохранить коллекторские свойства продуктивного пласта, что дает возможность уменьшить сроки освоения скважин (Н. К. Байбаков и др. "Электробурение как базовый способ строительства нефтяных и газовых скважин" в ж-ле "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море", N 10-11, 1996 г., с. 11-13).

/1/ Авторское свидетельство СССР N 1585522, кл. E 21 D 1/06, опубл. 1990 г.

/2/ Авторское свидетельство СССР N 1364729, кл. E 21 D 1/06, опубл. 1988 г.

Использование: бурение глубоких скважин большого диаметра, в частности породоразрушающий инструмент, работающий от индивидуального привода. Сущность: долотный бур имеет корпус 1. Корпус 1 состоит из набора утяжеленных элементов 2. Элементы 2 скреплены между собой стяжками. Под нижним торцом корпуса 1 расположен породоразрушающий инструмент 4. Корпус 1 в поперечном сечении может иметь форму овала, или прямоугольника, или ромба, или части окружности, ограниченной параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси сечения. Через корпус 1 проходят забойные двигатели. Забойных двигателей может быть два, три, четыре и размещены они в плоскости, проходящей через большую ось поперечного сечения корпуса 1. Забойные двигатели могут быть или в виде винтовых двигателей, или в виде электродвигателей. Забойные двигатели соединены с породоразрушающим инструментом 4. На корпусе 1 закреплен калибратор 7. Калибратор 7 расположен над породоразрушающим инструментом 4 в непосредственной близости от него. Калибратор 7 имеет две лопасти. Лопасти калибратора 7 расположены в плоскости, которая перпендикулярна плоскости, проходящей через большую ось поперечного сечения корпуса 1. Наибольший размер поперечного сечения корпуса 1 по отношению к диаметру бура находится в следующей зависимости 0,87 ≤ a/D ≤ 0,97, где а - наибольший диаметр поперечного сечения корпуса, мм, D - диаметр бура, мм. Повышается эффективность бурения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Долотный бур, содержащий корпус в виде набора утяжеленных элементов, расположенный под нижним торцом корпуса породоразрушающий инструмент, проходящие через корпус и соединенные с породоразрушающим инструментом забойные двигатели и расположенный над породоразрушающим инструментом калибратор, отличающийся тем, что корпус в поперечном сечении выполнен в виде овала, или прямоугольника, или ромба, или части окружности, ограниченной параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси сечения, калибратор выполнен двухлопастным, закреплен на корпусе и расположен в плоскости, перпендикулярной другой плоскости, проходящей через большую ось сечения корпуса в непосредственной близости от породоразрушающего инструмента, а забойные двигатели расположены в плоскости, проходящей через большую ось сечения корпуса, причем наибольший размер поперечного сечения корпуса и диаметр бура связаны следующей зависимостью 0,87 ≤ a/D≤0,97, где a - наибольший размер поперечного сечения корпуса, мм, D - диаметр бура, мм. 2. Бур по п. 1, отличающийся тем, что забойные двигатели выполнены в виде винтовых двигателей. 3. Бур по п. 1, отличающийся тем, что забойные двигатели выполнены в виде электродвигателей.