Способ проектирования и контроля параметров профиля наклонно-направленной скважины Российский патент 2022 года по МПК E21B47/00 

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, в частности, к способам построения и контроля параметров профилей наклонно-направленных скважин с непрерывно изменяющейся кривизной, включающих прямолинейные и искривленные участки.

Проектирование профилей нефтяных и газовых скважин с непрерывной кривизной позволяет создать энергосберегающий профиль, соответствующий минимальной длине ствола и естественному изгибу бурильной колонны в скважине, что снижает общие затраты на бурение и уменьшает количество аварий, связанных с самопроизвольным искривлением, а также обеспечивает создание эффективной нагрузки на долото.

При проектировании наклонно-направленных нефтяных и газовых скважин все большее распространение получают инновационные профили (Барский И.Л. О новых подходах к математическому обеспечению проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Технологии ТЭК, 2005, №3), отличающиеся тем, что в качестве переходных кривых, соединяющих прямолинейные участки профиля, используются плоские кривые с линейно изменяющейся кривизной (клотоиды), заимствованные из транспортной отрасли, где такой подход применяется при выполнении поворотных участков автомобильных и железнодорожных магистралей.

Недостатком известного способа построения профиля скважины с непрерывно изменяющейся кривизной, принятого в качестве прототипа, является то, что клотоида, представляющая собой бесконечную спираль, сворачивающуюся к предельной точке, описывается достаточно сложными параметрическими уравнениями, включающими в себя интегральные функции, что затрудняет их применение в практических задачах при определении координат искривленных участков, в частности на этапе предварительной оценки проектируемого профиля и при текущем контроле параметров ствола бурящейся скважины.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка упрошенного способа построенияи контроля параметров профиля наклонно-направленной скважины, основанного на обобщенной математической формуле криволинейного участка профиля с непрерывно изменяющейся кривизной, выполненного на основе клотоиды, в структуру которой не входят интегральные вычисления.

Применение предложенной обобщенной математической формулы обеспечит упрощение практических расчетов при построении профилей и контроле проводки наклонно-направленных скважин с непрерывной кривизной при сохранении необходимой точности вычислений.

Обобщенная математическая формула может быть использована при упрощенном способе проектирования двухинтервального профиля наклонно-направленной скважины, а также для текущего контроля параметров ствола скважины, расчетный профиль которого спроектирован на основе клотоид и их сочетаний с прямолинейными участками.

Предложенный способ проектирования и контроля параметров профиля наклонно-направленной скважины, состоящей из начального вертикального участка и криволинейного участка с непрерывно изменяющимся радиусом кривизны предусматривает использование линейной математической зависимости, связывающей переменные параметры траектории ствола скважины (глубину криволинейного участка, отклонение от вертикали и зенитный угол, соответствующий наклону касательной профиля к вертикальной оси).

В дальнейшем заявленное изобретение поясняется описанием и чертежами.

На фиг.1 показан двухинтервальный профиль наклонно-направленной скважины, включающий начальный верхний вертикальный участок ОА и нижний наклонный искривлённый участок АВ, построенный на основе клотоиды с непрерывно изменяющейся кривизной, где x – вертикальная ось (глубина скважины по вертикали), y – горизонтальная ось, определяющая отклонениезабоя скважины от вертикали.

На фиг.2 более подробно изображен искривленный участок профиля с непрерывно изменяющимся по длине s радиусом кривизны, где нанесены основные параметры профиля: A – начальная точка клотоиды с бесконечным радиусом кривизны; В – конечная точка клотоиды с радиусом кривизны R; C – центр кривизны; h – вертикальная глубина; а – отклонение от вертикали; α – зенитный угол.

На фиг. 3 представлены графики зависимостей отношения горизонтальной и вертикальной проекций а/h от зенитного угла искривлённого участка ствола скважины для случаев построения профиля на базе клотоиды (линия 1) и дуги окружности (линия 2).

Современные инновационные подходы к проектированию профилей наклонно-направленных скважин, разработанные во ВНИИБТ, предусматривают использование более совершенных чем дуги окружности переходных кривых, у которых в точках сопряжения прямолинейного и криволинейного участков профиля отсутствуют разрывы как углов наклона касательных, так и радиусов кривизны (последнее не достигается в типовых профилях на базе дуг окружностей, что является причиной некоторых трудностей в процессе бурения и эксплуатации скважин).

Такие кривые (клотоиды), у которых радиус кривизны изменяется пропорционально длине дуги s, имеют сложные параметрические уравнения (x=x(s);у=у(s)) с интегралами Френеля и могут быть построены только с использованием численных методов (Барский И.Л., Левина А.Б., Лалаянц Б.Р. Методика разработки программ расчета профиля скважины в виде кривой с непрерывной кривизной на примере симметричной биклотоиды. Труды ВНИИБТ/ОАО НПО «Буровая техника №2(70). Изд-во «Современные тетради», 2008).

Вместе с тем, анализ геометрических свойств клотоиды показывает, что зависимость между горизонтальной a и вертикальной h проекциями клотоиды, а также углом наклона α ее касательной к вертикальной оси x можно представить в следующем обобщенном виде:

, (1)

где С – постоянный безразмерный коэффициент.

Для практических инженерных расчётов профиля и контроля его параметров выражение (1) удобнее представить как:

или , (2)

где угол α измеряется в градусах.

Следовательно, при построении клотоиды (криволинейного участка профиля без разрыва кривизны) можно принять, что отношение горизонтальной и вертикальной проекций a/h любой точки клотоиды пропорционально углу наклона α касательной к вертикальной оси.

Установленная взаимосвязь между геометрическими параметрами клотоиды позволяет предложить упрощенный способ построения и контроля параметров профиля наклонно-направленной скважины, отличающийся тем, что сочетание переменных параметров траектории ствола скважины (глубина криволинейного участка h, отклонение от вертикали a и зенитный угол α, соответствующий наклону касательной профиля к вертикальной оси) назначают согласно линейной зависимости вида (2).

В частности, если известны проектная глубина h участка искривления и зенитный угол α в конечной точке профиля, то можно определить отклонение а от вертикали, соответствующее профилю с непрерывно изменяющейся кривизной, не прибегая к вычислению текущих координат клотоиды, содержащих сложные интегральные функции.

В случае же, если при проектировании заданы вертикальная и горизонтальная проекции профиля, то с использованием предложенной зависимости можно определить зенитный угол в конечной точке искривленного участка профиля.

Из зависимости (2) следует, что зенитный угол, равный 90° достигается когда соотношение вертикальной и горизонтальной проекций профиля, проложенного по клотоиде, составляет а/h = 0,531.

При оперативном контроле переменных параметров искривлённого участка профиля оценка точности фактической траектории ствола скважины в процессе бурения может быть проведена на основе сравнения координат вертикальной и горизонтальной проекций в данной точке профиля и соответствующего зенитного угла, полученных от датчиков забойного измерительного комплекса.

Cочетание вертикальной прямой и участка клотоиды (проекции которой на оси х и у соответственно равны h и a) позволяет в первом приближении спроектировать и проанализировать (с использованием относительных коэффициентов a/h, a/L) двухинтервальный профиль наклонно-направленной скважины с непрерывно изменяющимся радиусом кривизны и заданным зенитным углом α на входе в продуктивный пласт, а также сравнить основные параметры построенного профиля (по линии 1 на фиг.3) и типового профиля, искривленный участок которого образован от дуги окружности и отношение его горизонтальной и вертикальной проекций (по линии 2 на фиг. 3) определяется выражением

.(3)

Графики, представленные на фиг. 3, которые можно использовать как номограммы для сравнения различных типов профилей с точки зрения их смещения от вертикали, наглядно свидетельствуют о преимуществе клотоиды (с линейной зависимостью а/h от α) в качестве кривой для построения профиля при любых значениях зенитных углов.

Так например, при зенитном угле α=50° в конечной точке искривленного участка отношение проекций профиля, проложенного по клотоиде, составляет 0,295, в то время как для дуги окружности а/h = 0,466, т.е. увеличивается на 58%.

На основе такого предварительного сравнительного анализа представляется возможность обоснования необходимой коррекции проектируемого профиля, например уточнения оптимального соотношения длины вертикального участка и общей глубины скважины с целью достижения рационального в заданных условиях отношения горизонтальной и вертикальной проекций a/h.

Трехинтервальный профиль скважины с непрерывной кривизной может быть разработан на основе использования двух симметричных и зеркально расположенных клотоид, имеющих одинаковые угол наклона касательной и радиус кривизны в точке сопряжения. При этом в начальной точке первой (верхней) клотоиды, связанной с концом вертикального участка ствола скважины (α=0), радиус кривизны равен бесконечности, а в конечной точке второй клотоиды радиус кривизны также достигает бесконечности, но зенитный угол составляет заданную проектом величину.

Пример использования предложенного способа упрощенного построения двухинтервального профиля скважины (фиг.1).

Исходные данные: глубина начального вертикального участка Н=250 м; общая вертикальная глубина скважины L=1000 м; зенитный угол в конечной точке профиля α=60°.

Расчётные параметры:

Глубина участка искривления

h = L – H =1000 – 250=750 м

Длина горизонтальной проекции

Общее относительное отклонение ствола скважины от вертикали

Относительное отклонение искривленного участка

Для сравнительной оценки (при условии L, H, α = const) определяется отклонение забоя типовой скважины, искривленный участок профиля которой является дугой окружности

В этом случае общее относительное отклонение ствола скважины

По результатам расчетов делаются предварительные выводы о параметрах профилей наклонно-направленных скважин, спроектированных на основе клотоиды и дуги окружности, и обосновываются преимущества клотоидного профиля по сравнению с окружным.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в упрощении предварительных расчетов траектории профиля наклонно-направленной скважины с непрерывно изменяющейся кривизной, а также в возможности текущего контроля параметров ствола в процессе проводки скважины, расчетный профиль которой спроектирован на основе клотоид и их сочетаний с прямолинейными участками.

Изобретение относится к способу проектирования и контроля параметров профиля наклонно-направленной скважины. Профиль наклонно-направленной скважины включает прямолинейные и искривленные участки, выполненные по клотоиде с непрерывно изменяющейся кривизной. Построение профиля криволинейного участка с непрерывно изменяющимся радиусом кривизны осуществляют с использованием линейной математической зависимости, связывающей переменные параметры траектории ствола скважины. Для построения профиля используют следующие переменные параметры траектории ствола скважины: глубину криволинейного участка, отклонение от вертикали и зенитный угол, соответствующий наклону касательной профиля к вертикальной оси. Техническими результатами являются упрощение предварительных расчетов траектории наклонно-направленной скважины, возможность оперативного контроля параметров профиля в процессе бурения скважины. 3 ил.

Способ проектирования и контроля параметров профиля наклонно-направленной скважины, состоящего из начального вертикального участка и криволинейного участка с непрерывно изменяющимся радиусом кривизны от бесконечности до определенного значения, выполняемого по клотоиде, отличающийся тем, что сочетание переменных параметров траектории ствола скважины - глубины криволинейного участка , отклонения от вертикали и зенитного угла , соответствующего наклону касательной профиля к вертикальной оси, назначают согласно линейной зависимости:

или ,

где угол вычисляется в градусах.