Способ очистки горизонтального ствола скважины в процессе бурения Российский патент 2024 года по МПК E21B37/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для повышения эффективности очистки горизонтального ствола скважины от частиц разбуриваемой породы потоком промывочной жидкости.

При бурении вертикальных или близких к вертикали скважин частицы разрушенной породы (шлам) удаляются из ствола скважины потоком промывочной жидкости (бурового раствора) и вертикальная направленность этого потока, препятствуя оседанию частиц породы, обусловливает достаточно эффективный вынос этих частиц на поверхность. При бурении горизонтальных стволов скважин поток промывочной жидкости направлен вдоль горизонтального ствола и частицы разбуренной породы, накапливаясь в нижней части ствола, образуют так называемую шламовую «подушку», удаление которой представляет собой одну из основных проблем горизонтального бурения. Ситуация усугубляется тем обстоятельством, что колонна бурильных труб в процессе бурения под действием собственного веса ложится на нижнюю часть стенки скважины, погружаясь в шламовую «подушку», что снижает величину проходного сечения в нижней части ствола и буровой раствор движется вдоль ствола скважины, в основном, в верхней части ее поперечного сечения.

Вращение бурильной колонны в процессе бурения приводит к формированию закрученных потоков бурового раствора в стволе скважины, перемещающих частицы породы из нижней части ствола в область основного потока бурового раствора, что способствует более эффективной транспортировке этих частиц вдоль горизонтального ствола скважины. Для усиления эффекта взвешивания частиц породы используются турбулизаторы - вставки в компоновку бурильных труб, закручивающие поток бурового раствора вдоль оси скважины (Харламов С.Н., Джангхорбани М. Процессы транспорта шлама при очистке скважин с произвольной ориентацией буровых труб, содержащих эксцентрично расположенное круглое ядро с подвижной стенкой: проблемы, результаты, перспективы (обзор) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2020. - т. 331.- №7. - с. 131-149; Стрюков Е.Г., Лукьяненко В.А. Закрученные потоки в задачах гидродинамики горизонтальных скважин // Динамические системы. - 2011. - т. 1(29). - №1. - с. 169-190). Известно решение (Индупский Д.И., Басович B.C., Лубяный Д.А. Бурильная труба (варианты)// RU №2457314 С2, опубл. бюл. №21 от 27.07.2012, приоритет от 12.01.2009), согласно которому роль турбулизаторов могут выполнять бурильные трубы со спиральными бороздками или спиральными ребрами вдоль этих труб, закручивающими поток бурового раствора вдоль всей колонны труб.

Недостатком известных решений проблемы очистки ствола горизонтальной скважины является то, что прилегание колонны бурильных труб к нижней стенке горизонтального ствола и погружение ее в шламовую «подушку», приводящие к сужению проходного сечения ствола в его нижней части, являются причиной торможения закрученных потоков жидкости в этой части ствола из-за резкого роста сил вязкого трения в узком зазоре между стенкой скважины и бурильной трубой. Кроме того, вязко-пластичные свойства глинистых буровых растворов способствуют формированию застойных, то есть, неподвижных или малоподвижных зон в нижней части горизонтального ствола.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ, согласно которому в качестве турбулизаторов потока бурового раствора используются замковые соединения бурильных труб с выполненными на их внешней поверхности спиральными бороздками (Мухаметов Ф.X., Левинсон Л.М. Разработка компоновки бурильной колонны для скважин с большой протяженностью горизонтального участка на шельфе северных морей // Нефтегазовое дело. - 2021. - т. 19. - №2. - с. 27-36). Недостатком этого способа является указанное выше явление торможения закрученных потоков бурового раствора в области прилегания замковых соединений к нижней стенке горизонтальной скважины. Кроме того, при вращении круглых замковых соединений в горизонтальном стволе в области их контакта с нижней частью стенки скважины практически отсутствует эффект действия механического скребка, смещающего шламовую «подушку» вверх по стенке скважины.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности процесса удаления частиц разбуренной породы потоком бурового раствора из горизонтального ствола скважины. Техническим результатом является повышение эффективности процесса бурения горизонтальных скважин.

Техническая задача решается способом, согласно которому замковым соединениям бурильных труб придается форма с вращательной асимметрией относительно оси вращения бурильных труб, обеспечивающая при вращении колонны труб эффект действия механических скребков, смещающих шламовую «подушку» из нижней части горизонтального ствола вверх в область высоких продольных скоростей бурового раствора.

Новым является то, что подъем частиц разбуренной породы из нижней части горизонтального ствола бурящейся скважины в область высоких скоростей бурового раствора осуществляется не только за счет турбулизации потока раствора, обусловленной вращением колонны бурильных труб, но и за счет повышения эффективности механического смещения шламовой «подушки» из нижней части ствола скважины замковыми соединениями с вращательной асимметрией относительно оси вращения бурильных труб.

Сущность изобретения заключается в следующем. Вращение колонны бурильных труб в вязкой или вязко-пластичной жидкости, которой является буровой раствор, обусловливает формирование закрученных потоков в стволе горизонтальной скважины, турбулизацию течения бурового раствора и подъем частиц породы из шламовой «подушки» в верхнюю часть ствола с высокой скоростью продольного потока раствора и, соответственно, с более высокой эффективностью транспортировки частиц породы вдоль ствола скважины.

Вместе с тем, необходимо отметить, что контакт колонны бурильных труб или замковых соединений с нижней частью стенки скважины (фиг. 1) препятствует закручиванию потока бурового раствора вокруг этой колонны. На фиг. 1 схематично представлено расположение круглых замковых соединений (или бурильных труб) 1 в горизонтальном стволе 2 скважины. Как следует из фиг. 1, при приближении к точке А контакта круглых замковых соединений 1 с нижней частью стенки горизонтальной скважины 2 скорость вращательного движения бурового раствора неизбежно снижается и эффект от турбулизации потока в некоторой окрестности этой точки также существенно снижается. Даже при наличии спиральных бороздок на поверхности замкового соединения труб сужение зазора между стенками скважины и внешней поверхностью замковых соединений и соответствующее увеличение величины вязкого сопротивления вращению потока жидкости приводит к торможению вращательного движения бурового раствора вблизи точки А.

Более того, каждая точка поверхности круглого замкового соединения, находящаяся в какой-то момент времени в контакте с нижней частью стенки скважины, в следующие моменты времени при вращении колонны утрачивает контакт со стенкой. Это значит, что поверхность круглого вращающегося замкового соединения труб может приводить к механическому смещению лишь наиболее крупных частиц породы, находящихся вблизи точки А. Массового механического смещения вверх частиц породы, составляющих шламовую «подушку», обусловленного воздействием на них поверхностей круглых замковых соединений вращающейся колонны бурильных труб, то есть, проявления эффекта действия механического скребка в нижней части стенки скважины при круглом поперечном сечении замковых соединений не происходит.

Исходя из вышеизложенного, для усиления механического смещающего воздействия на шламовую «подушку» поверхностью замкового соединения представляется целесообразным придать замковым соединениям вращательную асимметрию относительно оси вращения бурильных труб. Этого можно достигнуть, в частности, путем срезания металла на участке внешней поверхности замкового соединения вдоль его оси (фиг. 2а, б).

На фиг. 2а и фиг. 2б изображено положение замкового соединения со срезанной частью на внешней поверхности в два последовательных момента времени при вращении колонны бурильных труб. Как можно видеть из фиг. 2а, при вращении колонны труб, когда срезанная часть замкового соединения находится в нижней части ствола скважины, из условий равновесия этого замкового соединения следует, что его контакт со стенками скважины должен происходить в двух точках А и В. При этом существенно, что при вращении колонны труб эти точки не отрываются от стенки скважины, а скользят по ее нижней части (фиг. 2б), что обусловливает механическое смещение шламовой «подушки» из нижней части ствола горизонтальной скважины в область более высоких скоростей потока бурового раствора. Таким образом, замковое соединение бурильных труб с вращательной асимметрией относительно оси вращения бурильных труб при вращении этих труб будет выполнять роль механического скребка, способствующего очистке нижней части стенки горизонтальной скважины от накапливающегося шлама.

Кроме того, вращение бурильных труб приводит к периодическому перекрыванию зазора в нижней части сечения ствола скважины, образующегося под линией АВ, что является причиной возникновения пульсаций гидродинамического давления в потоке бурового раствора, увеличивающих степень его турбулизации и, соответственно, снижение интенсивности формирования шламовой «подушки».

В качестве еще одного возможного варианта замкового соединения с вращательной асимметрией относительно оси вращения бурильных труб на фиг. 3 представлено замковое соединение с поперечным сечением овальной формы, применение которого аналогичным вышеописанному образом также будет способствовать проявлению эффекта действия механического скребка в нижней части ствола горизонтальной скважины при скольжении точек А и В по ее стенке.

Наличие спиральных бороздок на поверхности замковых соединений с вращательной асимметрией относительно оси вращения бурильных труб, очевидно, будет повышать степень турбулизации потока бурового раствора. Применение замковых соединений бурильных труб с описываемой вращательной асимметрией относительно оси вращения бурильных труб, может сочетаться с применением стандартных замковых соединений.

На основании вышеизложенного предлагаемый способ очистки горизонтального ствола скважины в процессе ее бурения описывается следующим образом.

Способ очистки горизонтального ствола скважины в процессе ее бурения, включающий бурение скважины, вращение колонны бурильных труб с замковыми соединениями, промывку ствола скважины буровым раствором, отличающийся тем, что используют колонну бурильных труб, в которой по меньшей мере у части замковых соединений вдоль их оси с внешней стороны срезана часть металла, образуя механический скребок, способствующий очистке нижней части стенки горизонтальной скважины от накапливающегося шлама.

Применение предлагаемого способа

Применение предлагаемого способа отличается от применения стандартного способа очистки ствола бурящейся скважины от частиц разрушенной породы только тем, что при бурении горизонтального участка ствола в компоновку бурильной колонны в части, соответствующей горизонтальному стволу, включаются замковые соединения бурильных труб с предварительно срезанной с их внешней стороны вдоль оси частью металла для придания замковым соединениям вращательной асимметрии относительно оси вращения бурильных труб.

На основании результатов проведенного анализа можно сделать вывод, заключающийся в том, что применение замковых соединений с вращательной асимметрией относительно оси вращения бурильных труб может заметно повысить эффективность процесса удаления разрушенной породы из ствола горизонтальной скважины за счет механического смещения шламовой «подушки» в область более высоких скоростей потока бурового раствора. Применение описываемых замковых соединений может сочетаться с применением стандартных замковых соединений.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для очистки горизонтального ствола скважины. Способ включает бурение скважины, вращение колонны бурильных труб с замковыми соединениями, промывку ствола скважины буровым раствором. При осуществлении способа используют колонну бурильных труб, в которой по меньшей мере у части замковых соединений вдоль их оси с внешней стороны срезана часть металла, образуя механический скребок, способствующий очистке нижней части стенки горизонтальной скважины от накапливающегося шлама. Повышается эффективность очистки горизонтального ствола скважины от частиц разбуриваемой породы потоком промывочной жидкости. 3 ил.

Способ очистки горизонтального ствола скважины в процессе ее бурения, включающий бурение скважины, вращение колонны бурильных труб с замковыми соединениями, промывку ствола скважины буровым раствором, отличающийся тем, что используют колонну бурильных труб, в которой по меньшей мере у части замковых соединений вдоль их оси с внешней стороны срезана часть металла, образуя механический скребок, способствующий очистке нижней части стенки горизонтальной скважины от накапливающегося шлама.