Способ проходки горизонтального ствола скважины в неустойчивых породах пласта Российский патент 2020 года по МПК E21B21/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к бурению горизонтальных скважин для восстановления проходимости открытого горизонтального ствола скважины.

Известен способ восстановления проходимости ствола скважины после обвала породы (патент RU № 2171352, МПК Е21В 21/00, опубл. 27.07.2001 Бюл. № 21), включающий сборку компоновки низа бурильной колонны, состоящей из долота, УБТ, бурильных труб, спуск ее в скважину, сообщение вращения и включение промывки, причем спуск компоновки с промывкой ведут до зоны накопления породы и получения посадки, затем отрывают долото от накопленной породы, сообщают вращение и уменьшают количество закачиваемой промывочной жидкости, долотом с "навеса" разрушают крупные куски породы, при возникновении заклинок долото приподнимают над зоной обвала и повторяют процесс разрушения, после прохождения долотом части или всей зоны обвала, не прекращая вращения, включают промывку на максимально возможную величину и, расхаживая компоновку в пределах пройденной зоны, вымывают разрушенный долотом мелкий шлам из скважины при максимальной промывке, процесс ведут до нормального без затяжек, посадок прохождения по столу компоновки.

Недостатками данного способа являются:

во-первых, низкая надежность реализации способа, связанная с тем, что при восстановлении проходимости ствола скважины существует высокая вероятность прихвата колонны бурильных труб с долотом из-за наличия в составе компоновки низа бурильной колонны (КНБК) утяжеленной бурильной трубы (УБТ), «лежащей» на нижней поверхности открытого горизонтального ствола скважины, ввиду того что УБТ имеет больший наружный диаметр и меньший внутренний диаметр, в связи с чем в скважине в интервале УБТ уменьшается кольцевое сечение и создается высокое гидравлическое сопротивление с последующим шламообразованием и прихватом, а также существует возможность отклонения («ухода в сторону») долота из восстанавливаемого ствола горизонтальной скважины из-за отсутствия жесткости КНБК;

во-вторых, низкая эффективность восстановления открытого ствола горизонтальной скважины после обвала породы. Это обусловлено тем, что процесс восстановления проходимости ствола скважины проходкой долотом совмещен с промывкой, что эффективно в вертикальной скважине, но имеет низкую эффективность при восстановлении проходимости открытого ствола горизонтальной скважины, так как при прямой промывке горизонтального ствола скважины промывочная жидкость подается в колонну бурильных труб, а поднимается по кольцевому пространству скважины, при этом все частицы шлама движутся по кольцевому пространству и стремятся опуститься на нижнюю стенку горизонтального ствола, не позволяя полностью восстановить проходное сечение открытого горизонтального ствола скважины;

в-третьих, нет возможности контроля восстановления проходимости ствола скважины, т.е. технологической операции по шаблонированию ствола скважины, так как при необходимости спуска в скважину после восстановления проходного сечения дополнительной колонны труб, например, нецементируемого перфорированного хвостовика, необходимо произвести шаблонирование ствола скважины под спускаемый в нее хвостовик.

Наиболее близким по технической сущности является способ восстановления проходимости открытого горизонтального ствола скважины (патент RU № 2564314, МПК Е21В 21/00, опубл. 27.09.2015 Бюл. № 27), включающий сборку компоновки низа бурильной колонны, состоящей из долота, спуск в скважину компоновки на конце колонны бурильных труб, вращение колонны бурильных труб и включение промывки, восстановление проходимости ствола скважины с расхаживанием компоновки до нормального без затяжек и посадок прохождения компоновки по стволу скважины, причем на устье скважины с открытым горизонтальным стволом собирают компоновку низа бурильной колонны, состоящую снизу вверх из долота, правого патрубка длиной 4 м и калибратора, спускают в скважину компоновку низа бурильной колонны на конце колонны бурильных труб до начала интервала открытого горизонтального ствола, затем производят одновременное вращение колонны бурильных труб с частотой 20 об/мин и прямую промывку по колонне бурильных труб с расходом 10 л/с, далее осевым перемещением колонны бурильных труб относительно открытого горизонтального ствола скважины со скоростью не более 20 м/ч производят восстановление проходимости открытого горизонтального ствола скважины по всей длине, причем перед каждым наращиванием колонны бурильных труб производят промывку в полуторакратном объеме колонны бурильных труб с трехкратной проработкой в местах затяжек и посадок с расхаживанием компоновки, извлекают из скважины колонну бурильных труб с компоновкой низа бурильной колонны, после чего в скважину на конце колонны бурильных труб спускают сферическую воронку с шаблоном до интервала открытого горизонтального ствола, затем производят обратную промывку с расходом 7 л/с, с одновременным перемещением колонны бурильных труб со скоростью не более 0,5 м/с относительно открытого горизонтального ствола скважины по всей ее длине, причем перед наращиванием каждой бурильной трубы производят промывку в полуторакратном объеме колонны бурильных труб с расхаживанием компоновки на длину бурильной трубы, не допуская посадки колонны бурильных труб в скважине более 5 т от собственного веса, по окончании промывки открытого горизонтального ствола скважины извлекают колонну бурильных труб со сферической воронкой и шаблоном из скважины.

Недостатками данного способа являются:

во-первых, узкая область применения из-за жестких параметров проходки долотом мест обрушения: скорости вращения, расхода и осевого перемещения, которые соответствуют проходке карбонатных коллекторов с глубиной залегания 1000 – 1300 м на месторождениях Республики Татарстан (РТ);

-во-вторых, проходка и промывка с одной и той же скоростью без учета размеров разрушаемой породы и скорости их осаждения может привести к осаждению крупных частиц разрушаемой породы снаружи КНБК и заклиниванию ее в горизонтальном стволе, приводя к аварийным ситуациям;

-в-третьих, использование обратной промывки с одной скоростью 7 м/с при проходке глинистых поропластов приводит к аварийным ситуациям, связанным со скапливанием из внутри колонны труб с перекрытием внутреннего канала.

Технической задачей предполагаемого изобретения является способ проходки горизонтального ствола скважины в неустойчивых породах пласта является снижение вероятности аварийных ситуаций, связанных с неполным вымыванием породы из горизонтального ствола скважины при прямой и/или обратной промывке, а также расширение функциональных возможностей благодаря возможности использования в горизонтальных стволах с любой породой и любой глубиной залегания.

Техническая задача решается способом проходки горизонтального ствола скважины в неустойчивых породах пласта, включающим сборку компоновки низа бурильной колонны - КНБТ, состоящую снизу-вверх из долота, правого патрубка и калибратора, спуск в скважину КНБТ на конце колонны бурильных труб, инициирование выбранных скоростей вращения КНБК и потока жидкости при промывке, восстановление проходимости ствола скважины с расхаживанием компоновки до нормального без затяжек и посадок прохождения компоновки по стволу скважины, извлечение из скважины КНБК, спуск режущей головки с шаблоном до интервала открытого горизонтального ствола, проходку с обратной промывкой относительно открытого горизонтального ствола скважины по всей ее длине, не допуская посадки колонны бурильных труб в скважине более 5 т от собственного веса, извлечение шаблона и режущей головки из скважины.

Новым является то, что производят анализ породы пласта, из которого определяют необходимую скорость проходки и скорость прокачки жидкости для получения разрушаемых частиц величиной, исключающей застраивание при прокачке между КБНК и стенками скважины, а скорость прокачки жидкости выбирают из условия обеспечения турбулентного восходящего потока, исключающего осаждение получаемых при проходке частиц, по полученным параметрам выбирают забойный двигатель, который устанавливают перед спуском выше КБНК, при проходке и извлечении шаблона и режущей головки скорость потока жидкости при прямой и/или обратной промывке поддерживают не менее обеспечения турбулентного восходящего потока, исключающего осаждение получаемых при проходке частиц.

Новым является также то, что при проходке глинистых поропластков в карбонатных коллекторах скорость подачи бурильных труб с КНБК для проходки породы уменьшают как минимум в 2 раза.

Способ реализуется в следующей последовательности.

Производят анализ породы пласта по кернам, полученным из исследовательских скважин. Из анализа породы определяют необходимую скорость проходки и скорость прокачки жидкости (бурового раствора) для получения разрушаемых частиц величиной, исключающей застраивание при прокачке между КБНК и стенками скважины (в затрубье КБНК). Первоначально из условия обеспечения турбулентного восходящего потока, исключающего осаждение получаемых при проходке частиц, определяют скорость прокачки жидкости. Для обеспечения турбулентного потока жидкости между КБНК и стенками скважины необходимо, чтобы число Рейнольдса – Re ˃ 1100:

Число Рейнольдса (Re) определяют по формулам:

[1]

где Re – число Рейнольдса;

ρ – плотность жидкости (бурового раствора), кг/м³;

v – минимальная скорость потока жидкости в затрубье КБНК, м/с;

D_г – гидравлический диаметр, м;

η – динамическая вязкость жидкости, Па•с или кг/(м•с);

ν – кинематическая вязкость жидкости (ν=η/ρ), м²/с;

Q – расход жидкости, м³/с;

π = 3.14159;

D – внутренний диаметр горизонтального ствола, принимается равным диаметру долота, м;

d – наружный минимальный диаметр КБНК, м.

Причем для кольцевого сечения D_г определяют по формуле:

[2]

где D_г – гидравлический диаметр, м;

D – диаметр горизонтального ствола, м;

d – наружный минимальный диаметр КБНК, м.

Расход (Q) определяется по формуле:

[3]

где Q – расход жидкости, м³/с;

v – минимальная скорость потока жидкости в затрубье, м/с;

π = 3.14159;

D – внутренний диаметр горизонтального ствола, м;

d – наружный минимальный диаметр КБНК, м.

Исходя из формул [1] [2] [3] получаем следующую формулу:

[4]

где Re – число Рейнольдса;

v – минимальная скорость потока жидкости в затрубье, м/с;

ν – кинематическая вязкость бурового раствора, м²/с;

Q – расход бурового раствора, м³/с;

π = 3.14159;

D – внутренний диаметр горизонтального ствола, м;

d – наружный минимальный диаметр КБНК, м;

D_г – гидравлический диаметр, м.

Кинематическая вязкость (ν) жидкости (бурового раствора) определяется точно в лабораторных условиях. Из формулы [4] определяют скорость турбулентного потока жидкости (v):

[5]

где v – скорость потока жидкости в затрубье, м/с;

Re – число Рейнольдса, Re = 1100;

ν – кинематическая вязкость бурового раствора, м²/с;

D_г – гидравлический диаметр, м.

Максимальным ограничением скорости является расход жидкости (Q, м³/с), который может обеспечить насосные агрегаты при длительной работе во время проходки горизонтального ствола. Расход жидкости определяется по формуле [3] для выбранной скорости потока.

Зная скорость потока жидкости в затрубье КБНК, определяют эмпирическим путем скорость проходки выбранным долотом для получения величины частиц, осаждение которых не происходит в горизонтальном стволе при данной скорости. После чего определяют режимы разрушения породы долотом, в том числе и скорость вращения долота. Из полученных параметров выбирают забойный двигатель, обеспечивающий необходимые режимы работы долота при выбранном расходе прокачиваемой жидкости.

Для обеспечения турбулентного потока жидкости при обратной промывке во время проходки и извлечения шаблона и режущей головки необходимо, чтобы число Рейнольдса – Re ˃ 2000:

Число Рейнольдса (Re) определяют по формулам:

[6]

где Re – число Рейнольдса;

ρ – плотность жидкости (бурового раствора), кг/м³;

v – минимальная скорость потока жидкости внутри режущего инструмента, шаблона и/или колонны труб (инструмента для шаблонирования), м/с;

D_ш – максимальный внутренний диаметр режущего инструмента, шаблона и/или колонны труб (инструмента для шаблонирования), м;

η – динамическая вязкость жидкости, Па•с или кг/(м•с);

ν – кинематическая вязкость жидкости (ν=η/ρ), м²/с;

Q – расход жидкости, м³/с;

π = 3.14159.

Расход жидкости (Q) определяется по формуле:

[7]

где Q – расход жидкости, м³/с;

v – минимальная скорость потока жидкости внутри инструмента для шаблонирования, м/с;

π = 3.14159;

D_ш – максимальный внутренний диаметр инструмента для шаблонирования, м.

Кинематическая вязкость (ν) жидкости (бурового раствора) определяется точно в лабораторных условиях. Из формулы [6] определяют скорость турбулентного потока жидкости (v):

[8]

где v – скорость потока жидкости в затрубье, м/с;

Re – число Рейнольдса, Re = 2000;

ν – кинематическая вязкость бурового раствора, м²/с;

D_ш – максимальный внутренний диаметр инструмента для шаблонирования, м.

По формуле [7] определяют минимальный расход жидкости для получения турбулентного потока в инструменте для шаблонирования при обратной промывке.

Для прямой промывки во время проходки и извлечения шаблона и режущей головки применяют формулы [5] и [3] для определения необходимой скорости потока и расхода жидкости соответственно, где вместо наружного минимального диаметра КБНК (d, м) подставляют минимальный наружный диаметр инструмента для шаблонирования (d_ш, м).

На устье скважины с открытым горизонтальным стволом собирают КБНК, состоящую снизу-вверх из долота, правого патрубка и калибратора. КБНК присоединяют выбранный забойный двигатель и на колонне бурильных труб спускают в скважину до начала интервала открытого горизонтального ствола. Через бурильную колонну с устья начинают прокачку насосом промывочной жидкости (например, сточной воды, глинистого растовра, минеральной воды или т.п.) с необходимым рассчитанным расходом и с необходимой скорости подачи КБНК для проходки горизонтального ствола до его проходки по всей длине. При проходке проходке глинистых поропластков в карбонатных коллекторах скорость подачи бурильных труб с КНБК для проходки породы уменьшают как минимум в 2 раза, так как глинистая порода в жидкости может увеличиваться в размерах, а как показала практика, снижение скорости проходки как минимум в 2 раза полностью исключает осаждения глинистых пород в затрубье КБНК и колоны бурильных труб. При этом нагрузка на долото, рассчитанное на проходку карбонатных коллекторов, для исключения аварийных ситуаций скорость проходки уменьшают более чем в 2 раза до получения безопасных нагрузок на долото. После проходки горизонтального ствола до необходимой длину из скважины извлекают колонну бурильных труб с КБНК. Спускают на колонне бурильных труб режущую головку с шаблоном (инструмент для шаблонирования) до интервала открытого горизонтального ствола, производят проходку с прямой и/или обратной промывкой (выбирают исходя из расчётов и производительности устьевого насоса для достижения турбулентного потока) относительно открытого горизонтального ствола скважины по всей ее длине. При этом не допуская посадки колонны бурильных труб в скважине более 5 т от собственного веса, при достижении такой нагрузки скорость подачи инструмента для шаблонирования снижают. По завершению шаблонирования горизонтального ствола скважины по всей ее длине, шаблон и режущую головку извлекают из горизонтального ствола из скважины с обратной промывкой с расчётным расходом для исключения эффекта поршневания и полной промывки горизонтального ствола, после чего колонну бурильных труб и инструмент для шаблонирования извлекают из скважины.

На конструкцию КБНК и инструмента для шаблонирования, а также их отдельные компоненты и соединения, авторы не претендуют.

Пример конкретного выполнения.

На устье скважины для бурения горизонтального ствола диаметром142,9 мм собрали КБНК, состоящую снизу-вверх из долота, правого патрубка длиной 5 м и калибратора. В качестве долота применили шарошечное долото типоразмера 142,9 М-ГАУ R558 с наружным диаметром 142,9 мм, равным диаметру открытого горизонтального ствола 1. В качестве правого патрубка длиной 5 м использовали правый патрубок бурильной трубы ТБЛВ - 73·9,19. В качестве калибратора 5 применили калибратор КС - 142,9-Т, наружным диаметром 142,9 мм. Калибратор спиральный (КС) со вставками из твердого сплава предназначен для калибрования ствола скважины и сохранения его диаметра в средних и твердых породах. Присоединили КБНК винтовой забойный двигатель Д-105 (с расходом жидкости 0,01 – 0,015 м³/с – достаточным для получения турбулентного потока в затрубье КБНК). Спустили в скважину КБНК с забойным двигателем Д-105 на конце колонны бурильных труб до начала интервала проходки открытого горизонтального ствола 1380 м и диаметром 142,9 мм. В качестве колонны бурильных труб 6 применили бурильную колонну труб марки ТБПН 73·9,19. Для прямой прокачки в качестве промывочной жидкости выбрали буровой раствор марки Т₅₀₀ (ρ=1400 кг/м³, η=0,01 Па•с, v=7,14•10^-6 м²/с). Скорость проходки из выбранных параметров выбрали равной 23 м/ч (≈0,005 м/с). Проходку провели до 1490 м где наткнулись на глинистый порпласток длиной 12 м, который прошли со скоростью подачи 11 м/ч (≈0,002 м/с). После чего прошли до интервала 1640 м со скоростью проходки 22 м/ч (≈0,005 м/с). Не смотря на наличие вероятных зон обрушения в интервале 1420 – 1435 м и 1590 – 1610 м, за счет турбулентного потока жидкости в затрубье КБНК и бурильных труб, прихватов (зажимов КБНК породой, исключающей его продольное перемещение) не было. Извлекли из скважины колонну бурильных труб с КБНК, спустили на колонне бурильных труб ТБЛВ - 73·9,19 режущую головку PDC (5 5/8") (наружным диаметром 142,9 мм) с шаблоном (длиной 10 м и наружным диаметром 132 мм) до интервала открытого горизонтального ствола (1380 м). Для прямой и обратной прокачки в качестве промывочной жидкости выбрали минеральную воду (ρ = 1080 кг/м³, η = 0,002 Па•с, v = 1,79•10^-6 м²/с). Для получения турбулентного потока при прямой промывке необходимо расход жидкости 0,015 – 0,02 м³/с, а для обратной – 0,007 – 0,01 м³/с, поэтому выбрали обратную промывку для проходки горизонтального ствола скважины с подачей 7 м/с. Усилие посадки составляло 1 – 2 т до интервала 1490 – 1505 м, в котором усилие посадки дошло до 5 т, скорость подачи инструмента снизили до 2 м/с и прошли это интервал с усилием посадки 3 т. После этого проходку до забоя горизонтального ствола прошли с подачей 6 м/с. По завершению шаблонирования горизонтального ствола скважины по всей ее длине, шаблон и режущую головку извлекли из горизонтального ствола из скважины с обратной промывкой с расходом 0,01 м³/с для исключения эффекта поршневания и полной промывки горизонтального ствола. После чего колонну бурильных труб и инструмент для шаблонирования извлекли из скважины без аварийных ситуаций.

Данный способ применялся еще на четырех скважинах различных скважинах с различной глубиной залегания и коллекторами пластов. Благодаря расчетам режимов закачки промывочной жидкости и правильному подбору компонентов для проходки и калибровки (с прямой и/или обратной промывкой) горизонтального открытого ствола, ни на одной из скважин не наблюдались прихваты КБНК и инструментов для шаблонирования.

Предполагаемый способ проходки горизонтального ствола скважины в неустойчивых породах пласта позволяет снизить вероятность аварийных ситуаций, связанных с неполным вымыванием породы из горизонтального ствола скважины при прямой и/или обратной промывке, практически до нуля, а также расширить функциональные возможности благодаря возможности использования в горизонтальных стволах с любой породой и любой глубиной залегания.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к бурению горизонтальных скважин для восстановления проходимости открытого горизонтального ствола. Способ включает сборку компоновки низа бурильной колонны - КНБТ, состоящую снизу вверх из долота, правого патрубка и калибратора, спуск в скважину КНБТ на конце колонны бурильных труб, восстановление проходимости ствола с расхаживанием компоновки до нормального без затяжек и посадок прохождения компоновки по стволу, извлечение из скважины КНБК, спуск режущей головки с шаблоном до интервала открытого горизонтального ствола, проходку с обратной промывкой относительно открытого горизонтального ствола по всей ее длине, не допуская посадки колонны бурильных труб в скважине более 5 т от собственного веса. Производят анализ породы пласта, из которого определяют необходимую скорость проходки и скорость прокачки жидкости для получения разрушаемых частиц величиной, исключающей застраивание при прокачке между КБНК и стенками скважины. Скорость прокачки выбирают из условия обеспечения турбулентного восходящего потока, исключающего осаждение получаемых при проходке частиц. По полученным параметрам выбирают забойный двигатель, который устанавливают перед спуском выше КБНК. При проходке и извлечении шаблона и режущей головки скорость потока жидкости при прямой и/или обратной промывке поддерживают не менее обеспечения турбулентного восходящего потока, исключающего осаждение получаемых при проходке частиц. Снижается вероятность аварийных ситуаций, связанных с неполным вымыванием породы из горизонтального ствола скважины при прямой и/или обратной промывке, практически до нуля, расширяются функциональные возможности благодаря возможности использования в горизонтальных стволах с любой породой и любой глубиной залегания. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ проходки горизонтального ствола скважины в неустойчивых породах пласта, включающий сборку компоновки низа бурильной колонны - КНБТ, состоящую снизу вверх из долота, правого патрубка и калибратора, спуск в скважину КНБТ на конце колонны бурильных труб, инициирование выбранных скоростей вращения КНБК и потока жидкости при промывке, восстановление проходимости ствола скважины с расхаживанием компоновки до нормального без затяжек и посадок прохождения компоновки по стволу скважины, извлечение из скважины КНБК, спуск режущей головки с шаблоном до интервала открытого горизонтального ствола, проходку с обратной промывкой относительно открытого горизонтального ствола скважины по всей ее длине, не допуская посадки колонны бурильных труб в скважине более 5 т от собственного веса, извлечение шаблона и режущей головки из скважины, отличающийся тем, что производят анализ породы пласта, из которого определяют необходимую скорость проходки и скорость прокачки жидкости для получения разрушаемых частиц величиной, исключающей застраивание при прокачке между КБНК и стенками скважины, а скорость прокачки жидкости выбирают из условия обеспечения турбулентного восходящего потока, исключающего осаждение получаемых при проходке частиц, по полученным параметрам выбирают забойный двигатель, который устанавливают перед спуском выше КБНК, при проходке и извлечении шаблона и режущей головки скорость потока жидкости при прямой и/или обратной промывке поддерживают не менее обеспечения турбулентного восходящего потока, исключающего осаждение получаемых при проходке частиц.

2. Способ проходки горизонтального ствола скважины в неустойчивых породах пласта по п. 1, отличающийся тем, что при проходке глинистых пропластков в карбонатных коллекторах скорость подачи бурильных труб с КНБК для проходки породы уменьшают как минимум в 2 раза.