Способ бурения скважин Советский патент 1983 года по МПК E21B21/08 

110 Изобрете:тае относится к способам бурения скважин с периодически изм няемым дифференциальным давпением и применяется преимущественно дпя бурени трудноразбуриваемых и абразивных горных пород. Известен способ вращательного бурения с регулированием дифференциального давления путем выборочной обработки бурового раствора, циркулирующего по скважине. Указанную часть бурового рас твора раздепяют на два потока: поток Шлама с вь сокой плотностью, содержащий фазу с тяжелыми твердыми астицами, и вытекающий поток с низкой ппотйосгью, содержащий фазу с легкими твердыми частицами. Плотность бурового раствора, цирку пирующего в скважине, уменьшают путем возвращения потока с низкой плотностью в буровой раствор и направлении потока с высокой плотностью на хранение. В другие периоды, например, для предотвра щения фонтанирования скважины в случае длительной остановки процесса углублени скважиш шпам с высокой плотностью вводят в буровой раствор, увеличивая ппотность поспеднего 1. Недостатками способа являются опасиость потери устойчивости стенок сква живы при снижении давтюния жидкости на нвх и опасность фонтанирования скважиш (выброс Потому невозможно создание отрицательного дифференциального оввяешш, при котором разрущение наибопее эффективно. Нанбогаее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ бурения сква жин,- включающий снижение диффереш1Иапьаого давления на забое.путем доставЕВ пустотелых ампул потоком бурового раствора к разбуриваемой поверхности и раздавпивание их щарошечным долотом 1ф{гасатием поспеднего к разбуриваемой поверхности, вследствие чего возникает имплозия, так как циркулирующая жидкость внезапно занимает зону, занятую прежде хрупкими телами. Вследствие имплозии возникают удар ныа вопвы, повышающие напряжение сжатня породы, и при достижении давления гидроудара о забой, преш 1шающего предельное напряжение сжатия породы, происходит ее разрушение 2 Однако известный способ бурения эффективен лишь при бурении на больших рпубинах - не менее 15 км, когда возни кают давления в несколько сотен мегапас 63 каль. При меньших глубинах бурения (до 15 км) выходная мощность ударных волн становится недостаточной дпя разрушения породы, разрушение ее происходит только вследствие работы долота. Наиболее существенным недостатком известного способа является резкое возрастание дифференциального давпения вследствие гидроудара и усиления действия ударных волн при отражении их от направляющих поверхностей в допоте, что увеличивает силу прижатия отделяемых от массива частиц породы зубцами долота и снижает, в результате, эффекти ность разрушения,. Целью изобретения является повышение эффективности разрушения горных пород. Поставленная цепь достигается тем, что согласно способу бурения скважин, включающему снижение дифференциального давления на забое путем доставки пустотелых ампул потоком бурового раствора к разбуриваемой поверхности и раздавливание trx шарошечным долотом прижатием поспеднего к разбуриваемой поверхности, раздавливание пустотелых ампул осущест&ляют. на периферии забоя после погружения зубцов долота в на глубину, при которой формируются трещины отрыва. Доставка и раздавливашю ампул только на периферии забоя, где сопротивляемость горных пород к разрушению наибольшая, а не по всей поверхности забоя, снижает их расход. Глубину, соответствующую зарождению и развитию трещин, отделяющих от массива частицы породы, определяют экспериментально на керновом материале, по- лученном из ранее пробуренгтых скважин. Снижение дифференциального давпения происходит вследствие существования в скважине на забое зоны пониженного давления в тот момент, когда предварительно погружегаое в породу долото создаст условия для роста трещин разрушения, а затем раздавит ампулу. Это приводит к снижению силы, потребней для долотом частицы породы, чему способствует пластовое давление, а также увеличивает силу прижатия долота к забою за счет разности давления над ним и в области пониженного давпения. Эффективность способа тем выше, чем больше диаметр ампул и тиксотропные свойства бурового раствора. Это увеличивает время имплозии, а следовательно, время существования на забое отрицательного ди4)ференциапьного давления. Способ осушествпяется следующим образом. Используют обычный способ вращатель ного бурения с промывкой и пустотелые ампулы из хрупкого и недорогого материала: стекло, керамика, чугун и т.п., внутри которых может быть лишь воздух при атмосферном давлении. Ампулы вводят в поток бурового раствора, который доставляет их через специальную насадку в допоте на периферию забоя. Периферийный венец шарошечного долота захватывает эти ампулы и раздавливает их после погружения в породу его зубцов на определенную глубину. Для этого диаметр ампул .принимают меньшр высоты зубцов на величину, приблизительно равную глуб не предварительного их погружения. Буровой раствор типа глинистого применяют с высокими тиксотропными свойствами, а диаметр ампул, по возможност большим. Разрушению подвергали неизолированныи образец плотного известняка венцом шарошечного долота в среде глинистого раствора под давлением 4О МПа. Перед началом опыта образец насыщали водой до Рп/ 4О МПа, что обеспечивало дифференциальное давление равным нулю. Во всех опытах брали венец с постоянно высотой зубцов 13 мм. Пример 1. Вдоль поверхности плотного известняка прокатывали венец шарошечного долота (ампулы на поверхность породы не закладывали). При прокатывании венца его зубцы погружались в породу на 1,5-2 мм. Глубина лунки вы копа породы 3-4 мм, объем-пунки 0,15О,3 см. Поскольку дифференциальное да ление равно нулю, в этом случае получают результаты, соответствующие высшим показателям при промышленном бурении (бурение на равновесии). Пример 2, Вдоль поверхности образца плотного известняка укладывали стеклянные пустотелые ампулы диаметром 20 мм, давление воздуха в которых равно атмосферному, и прокатывали венец. Диаметр ампулы, больше высоты зу цов венца долота, и она раздавливалась до погружения зубцов в породу (т.е. условия раздавливания аналогичны известным) . Глубина лунки выкола породы 3-4 мм а объем лунки 0,15-0,3-см. Как видно, раздавливание ампуп по погружения зубца в породу не привопит к увеличению объема разрушенной породы в сравнении с известным способом разрушения без ампул (пример 1). Это обусловлено тем, что поскольку ампулы раздавливались до погружения зубца эенца, процесс схлопь1ваш1Я образованной области понизкенного давпекш завершался до того момента пока быпи сформированы трещины разрушения. Возникающее в момент схпопывания отрицательное дифференциальное давпение, в данных условиях (отсутствие трещин в породе) не может произвести самосто- .. ятельного разрушения. Последующее же погружение зубис в породу вызывало развитие трещив, но в условиях отсутствия отрвцатепьного дифференциального давления. Суммирующий эффект разрушения резко снижался, так как эффект имплозии завершился ранее. Пример 3. Стеклянные ампулы диаметром 11 мм укпадывапи на поверхности породы (плотного извест.няка) и прокатывали венец допота (высота зубцов 13 мм).., В процессе прокатывания вениа допота (при выбранном соотношении диаметра ампул и высоты зуоцов вениа) первовачапьно зубцы погружались в породу на 1,5-2 мм, после чего происходило раздавливание ампул. Глубина лунки выкопа породы 15 мм, а объем разрушенной породы 1О-30 см (средние данные из серии опытов). Как видно из приведенных данных, объем разрушенной породы увеличился в несколько десятков раз по сравнению с разрушением породы долотом без применения ампул (пример 1). Объем разрушенной породы полученвой экспериментально, может быть рассчвнтан, зная время, в течение которого иа забой действует отрицательное дифферея д циальное давление при раздавливании после погружения зубца венаа допота (по предлагаемому способу) в породу. Время схлопывания образованной области пониженного давления (т.е. время сущзсгвования отрицательного диффере циального давления на забое) опредепяют по известной формуле , щв R - радиус ампупы; f - плотность 6уров мго раствора - aasnefflte бурового раствора За 8ТО i pei«t9 образу ется трещина, хоошоая КЗ массива на поверхвость з В офазуюшая частицу породы. Дпйна втсА трещвоы равна , где Yf - CKOfncTb образоващш трещ Эту вепичвну находят по формупе Е - модуль продольной упругост го|той породы; f няотность горной породы. подстановку, попучаем .е р 5Ял/ЗЕГ. в прюлере 3:1 « 5,5 мм, Р(; 4О МГ1а, Е в 35О . .дпя ного известняка Рп 27ОО кг/м, f « 15ОО кг/м тогдав ,-2 35О«1 -1500 €-0,35 5,5-10 4О-1О« 27СХ) м. Таквм об|)азом, яопучеввая расчетн путем дпвна трещины, которая может разоваться за время схпоЕНвания разр жешюй области, соответствует ayift d 1О-15 мм и объему лунк 10-за смЛ Сравншеяьяую оиешсу способов бур ЙШ1 мсжво дать вр составленной из ус лрсшоравоааяьиости к«еханическо скорости щюхоцкв объему пунки едини BW выкопа фснрмуяе 1/4 VMV S. / -механическая скорость проходки по гфедлагаемому способу;-механическая скорость проходки в обычных успрвиях бурения (без ампупьно рения (безампупьном); Ла пунки, образованный при раздавпении ампулы по предпагаем(у способу; HQ - число ампул, расходуемое на проходку ; F - ппошадь забсяя. В примерах 1-3 брапи венец шарошечнрго допота, имеющего диаметр 19О мм. Дпя данного допота F-j составит 283 см . ЕсПи принять Иа 1000 (аналогично иэвестнс {у) VI м, то: ио-гэо) - 2бг.оо .об. Таким образ(4, прирост скорости проходки составпйет 135-206% при бурении пр0дла)аемым способом. Использование способа обеспечит по сравнению с известным способом бурения, ра равйовесии следующие преимущества. Позвонит вести бурение с отрицатель ндым .дифферешшапьным давлением без опасности нарушетш устойчивости стенок скважины, прихвата бурильной колоншл и выброса. Позволит увеличить скорость бурения и проходку на долото ориентировочно до 2ОО%, что снизит цксплуатационвые затраты и время бурения скважины в труд-. норазбуриваемых горизонтах. Кроме того, подача ампуп не хаотическая, как при известных способах буре ния, а На периферию забоя сократит расход ампул, что снизит себестоимость метра щх х эдки«

СПОСОБ БУРЕНИЯ ОКВАЖИН, вкпючаюший свшкевве двфференпиапыюго давпенш1 на забое путем доставки пустоте ампуп потоком бурового раствора к раэбурвваемой шиаерквостк в раэаешпвваяйе RX шарсмпечалм долютом пршкатвем поспеднвго к раабурквеюмой яоверхвостн, о т п R 5 а ю ш в ft с я тен что, с Оепыо аовмшеяюЁ аффектйвйости раэрушбВИЯ горшок пород, раэдамяваняв пустотелых ймауп осуществляют на адрвфер1 Ь забоя после пс ружвния зубцов дрпота в породу на глубину, при которЫ форМ1 руются трешнюл отрывд