Способ искривления скважины шарнирным отклонителем Советский патент 1990 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно направленных .скважин в анизотропных и изотропных породах при помощи забойных двигателей . или ротора.

Целью изобретения является повышение точности проводки скважины за счет искривления ее с постоянной интенсивност.ью.

Способ осуществляют следукящм образом.

В первом варианте при реализации способа искривления скважин шарнирным отклонителем, заключающегося в изменении зенитного угла скважины, предварительно забуренной в заданном пзимуте искривления, в процессе бурения направляющую штангу отклонителя поддерживают в положении, при котором она своей средней частью опирается в верхнюю стенку скважины, путем установления режима осевой нагрузки, соответствующего расчетному значению интенсивности искривления, которое не меньше максимальной величины интенсивности искривления скважины данным отклонителем, определяем и из условия

СП

QP О СП

00 05.

вписываемости его в ствол последней при указанном положении направляющей штанги.

Во втором варианте в процессе буре-, ния напраштяющую штангу отклонителя поллерживают в положении, при котором она своей средней частью опирается о нижнюю стенку скважины, путем установления режима осевой нагрузки, COOT-JQ ветствующего расчетному значению интенсивности искривления, которое не больше минималЖ1 ой величины интенсивности искривления скважины данным от15

20

)5

клонителем, определяемой из условия вписываемости его в ствол последней при указанном положении направляющей штанги.

Таким образом, искривление скважин осуществляется-с постоянной ин- т енси вностыо принципиально одним и тем же путем - поддерживанием в процессе бурения направляющей штанги отклонителя в Положении, при котором его движение определяется условием вписываемости в ствол скважины, при помощи установления режима осевой нагрузки, обеспечивающего указанное положение направляющей штанги.

Особенностью работы компоновки ни- JQ за бурильной колонны.(КНБК) с шарнирным отклонителем является то, что: благодаря наличию шарнира огибающий момент от бурильной-колонны не передается на направляющую штангу отклонителя и в КНБК не возникает момента сопротивления упругих сил, препятству- кащх повороту направляющей штанги в плоскости искривления. Следовательно, последняя занимает устойчивое положение в стволе скважины, когда опирается одновременно двумя точками о ее стенки. В месте шарнирного соединения отклонитель всегда опирается о нижнюю

При движении отклонителя, определяемом условиями вписываемости, две точки направлякяцей штанги повторяют траекторию участка ствола, к стенкам которого они прижаты. Так как долото жестко связано с указанными точками, то его движение однозначно определяется движением указанных точек направляющей штанги, а следовательно, трассой скважины в призабрйном интервале .

Для каждого типа шарнирного отклонителя существует два значения предельной интенсивности искривления скважины, которые определяются гео-. метрическими параметрами отклонителя, диаметром долота и скважины. Существует функциональная взаимосвязь между интенсивностью искривления скважины, определяемой как интенсивность поворота в.плоскости искривления направляющей штанги, и горно-геологическими и техническими условиями бурения скважины в данном интервале. Расчетное значение интенсивности искривления характеризует потенциальные возможности работы отклонителя при заданных параметрах, определяюшдх интенсивность; искривления скважины. Расчетное значение интенсивности искривления может оказаться больше максимального или меньше минимального значения, определяемых из условия вписываемости. В первом случае физически это означает, что направляющая штанга своей средней частью прижата к верхней стенке скважины, а во втором .- к лижней, так как сила реакции стенки ограничивает поворот направляющей штанги в плоскости искривления

35

40

стенку скважины, что обусловлено нали-45 дальнейшее искривление скважины ограничивается предельным значением, определяемым из условия вписываемости отклонителя .в ствол скважины.

чием силы тяжести и угла наклона скважины. Направляющая штанга своей средней частью может опираться как о верхнюю :. стенку скважины, так и о нижнюю, Это зависит от направления вектора результирующего опрокидывающего момента,, действующего на направляющую штанby. . .

Поскольку направляющая штанга имеет два положения в стволе скважины, при которых ее движение обусловливается условиями вписьшаемости, то суще- ствует два варианта способа искривления скважин шарнирным отклонителем.

-, -JQ15

20

)5

JQ-

05364

каждый из которых обеспечивает искр ив- ление с постоянной, хотя и разной по значению интенсивностью.

При движении отклонителя, определяемом условиями вписываемости, две точки направлякяцей штанги повторяют траекторию участка ствола, к стенкам которого они прижаты. Так как долото жестко связано с указанными точками, то его движение однозначно определяется движением указанных точек направляющей штанги, а следовательно, трассой скважины в призабрйном интервале .

Для каждого типа шарнирного отклонителя существует два значения предельной интенсивности искривления скважины, которые определяются гео-. метрическими параметрами отклонителя, диаметром долота и скважины. Существует функциональная взаимосвязь между интенсивностью искривления скважины, определяемой как интенсивность поворота в.плоскости искривления направляющей штанги, и горно-геологическими и техническими условиями бурения скважины в данном интервале. Расчетное значение интенсивности искривления характеризует потенциальные возможности работы отклонителя при заданных параметрах, определяюшдх интенсивность; искривления скважины. Расчетное значение интенсивности искривления может оказаться больше максимального или меньше минимального значения, определяемых из условия вписываемости. В первом случае физически это означает, что направляющая штанга своей средней частью прижата к верхней стенке скважины, а во втором .- к лижней, так как сила реакции стенки ограничивает поворот направляющей штанги в плоскости искривления

35

40

дальнейшее искривление скважины ограничивается предельным значением, определяемым из условия вписываемости отклонителя .в ствол скважины.

Поскольку расчетное значение интенсивности искривления является функцией осевой нагрузки, то установлением режима последней однозначно определяется величина расчетной интенсивности искривления.

Таким образом, установив-при бурении скважины режим осевой нагрузки, соответствующий расчетному значению интенсивности искривления, которое превьш1ает ее максимальное значение.

Максимальное значение интенсивности искривления.шарнирным отклонителем с опорно-центрирующйм элементом на направляющей штанге имеет место при опоре последнего о верхнюю стенку скважины и определяется по формуле

П т 2DciD.i-Di ..

1 Гт.-Т T.T.-1V UL-l)

L(L-l)

51590536

определяемое из условия вписываемости шарнирного отклонителя в ствол скважины, обеспечивается опора средней части направлягацей штанги о верхнюю стенку последней и, следовательно, искривление скваяоины с постоянной инteйcивнocтью, равной максимальной (по условию вписываемости) величине. А. при режиме осевой нагрузки, соот- Q ветствующем расчетному значению интенсивности, которое меньше минимального, определенного из условия вписываемости, средняя часть направляющей штанги опирается о нижнюю стенку сква- jj ку скважины и определяется по форму- жины, искривление последней происхо- ле дит с постоянной интенсивностью, равной минимальной (по условию вписываемости) величине.

При р. Геолого-технические условия бурения характеризуются следующими параметрами: прочность разбуМинимадьное значение интенсивности искривления указанным типом отклонителя имеет место при опоре опорно- цантрирующего элемента о нижнюю стенDH-D

D-D

Г,- т - йГНт i J:.LioJH l(L-l) L(L-l)

(2)

20 Для шарнирного отклонителя без

опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге аналогичные формулы имеют вид

25

ei(.rd)a.

г . , /YD-d + VDTu.-d.4 а 1. Зн(-f)

(3)

(4)

Ч

начальная интен

- Подставляя в формулы (1) и (2) 1 KL, получают

риваемых пород „„ 0,5 кН/мм ; угол падения пластов разбуриваемых пород 0j индекс анизотропии пород h 0,1; начальньй зенитньш угол скважины lf конечный зенитный угол скважины ц заданная интенсивность искривления, скважины

2 ЕЕ§Д 3.5-10- 1; 10 м м

сивность искривления скважины ij, 0; диамет р долота D 0,2169 м; диаметр скважины DJ. 0,218 м; диаметр турбобура 1) 0,195 м; диаметр опорно- -. ( центрирующего элемента, устанавливаемого на направляющей штанге D ц 0,210 м; диаметр направляющей штанги d 0,178 м; диаметр центратора, уста- навливаемого непосредственно над шар- 40 искривления скважины шарнирным откло- нирной муфтой, при роторном бурении определяется по формуле

35

г- -I213с-1).ц-0т D - DT .

L-LflJa-L K T K) )

Г- тDU, D I DT

L3-oJML K (T-K) L (T-K)

(5

(6)

Расчетное значение интенсивности

D

TU,

0,214 м; отношение длины L направляющей штанги к расстоянию 1 от -ниппеля турбобура до опорно-центрирующего элемента К 0,7; площадь кон- дЗ такта вооружения долота с забоем скважины S к 100 мм,; диаметр сферы пяты Ш1рнирной муфты I) ц/ . 0,065 м; коэффициент трения в шарнирной муфте К 0,15; вес направляющей штанги п 50 буровом растворе, отнесенный к ее длине, q 1,4 кН/м.

Параметры шарнирных откло11ителей и

3()

« L

+ . (9o- liaI;§iS J

L (G-tnp SJ

Duj l.(G-b)

(7)

Первый вариант способа осуществляется для отклонителя с опорно-центри- значения интенсивноеги искривления55 руювдш элементом при вьшопнении усскважин, определенные из условий впи сываемости их в ствол последней, находятся в функциональной взаимосвязи.

ловии

i р tiftJe.

(8)

определяемой следующими зависимостями.

Максимальное значение интенсивности искривления.шарнирным отклонителем с опорно-центрирующйм элементом на направляющей штанге имеет место при опоре последнего о верхнюю стенку скважины и определяется по формуле

П т 2DciD.i-Di ..

1 Гт.-Т T.T.-1V UL-l)

L(L-l)

ку скважины и определяется по форму- ле

ку скважины и определяется по форму- ле

Минимадьное значение интенсивности искривления указанным типом отклонителя имеет место при опоре опорно- цантрирующего элемента о нижнюю стен скважины и определяется

DH-D

D-D

Г,- т - йГНт i J:.LioJH l(L-l) L(L-l)

20 Для шарнирного отклонителя без

опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге аналогичные формулы имеют вид

25

ei(.rd)a.

(3)

г . , /YD-d + VDTu.-d.4 а 1. Зн(-f)

(4)

Подставляя в формулы (1) и (2) 1 KL, получают

искривления скважины шарнирным отк определяется по формуле

искривления скважины шарнирным откло- определяется по формуле

г- -I213с-1).ц-0т D - DT .

L-LflJa-L K T K) )

Г- тDU, D I DT

L3-oJML K (T-K) L (T-K)

(5

(6)

ривления скважины шарнирным откло елем определяется по формуле

Расчетное значение интенсивности

3()

« L

+ . (9o- liaI;§iS J

L (G-tnp SJ

Duj l.(G-b)

(7)

ловии

i р tiftJe.

(8)

для отклонителя без спорно-центрирующего элемента при вьтолнении условия

i 13в., (9)

Для определения режима.-, осевой нагрузки, обеспечивающего вьшолнение условий (8) и (9) при различных текущих значениях зенитного угла, необходимо определить значения, параметра L, входящего в формулу (7). Этот параметр определяется из формул (3) и (5), в которые вместо 1(,вИ ijg следует подставить i. После несложных преобразований и подстановок для отклонителя с опорно-центрирующнм / элементом на направляющей штанге получают

/2Dc-Dc-PT t Пз К ТТ К)

D -DT , 7 г

;о

(10) .

,а для отклонителя без опорно-центри- рующего элемента на направляющей . штанге и с центратором, установлен- „ ным над шарнирной ryфтoй, имеют

. j2Dc-5T4::d Ч .is i.

6,8 (м).

(11) 30

После подстановки в условие (8) значений L L 4,7 м, 4 % 5, ij О и других параметров, характеризующих условия бурения и указанньщ, 35 получают выражение для определения режима осевой нагрузки G , удовлетворяющего условию (8), т.е. обеспечивающего прижатие средней части направляющей штанги к верхней стенке скважи- 40 ны и искривление последней с заданной интенсивностью i. Расчетом получено, что при бурении начального интервала отклонителем без опорно-центрирующего элемента осевая нагрузка не должна 45 превьш1ать 510 кН, а для ,8 м G ; 349 кН.

Пусть в данных условиях режим осевой нагрузки, обеспечивающий- оптимальные технико-экономические показатели . 50 , составляет 100 кН.

Подставляя в условие (8) G ,

L 4,7 м, i 3 3,5 ., опредеМ

ляют значение угла cf, при котором это условие выполняется. Расчеты пока- зьшают, что максимальный угол, который можно набрать данным отклонителем

с заданной интенсивностью искривления при G 100:к Н равен И.

Аналогичный расчет для отклонителя с L 6,8 м показывает, что максимальный угол, который можно набрать им при осевой нагрузке 100 кН, искривляя скважину при этом с интенсивностью

i., 3,5 10 -, равен 13.

Jм

Второй вариант способа осуществляется для отклонителя с опорно-центри- рующим элементом на направляющей штанге при выполнении условия

(12)

без опорно-центрирующенаправляющей штанге условия

(13)

Для определения режима осевой нагрузки, обеспечивающего выполнение условий (12) и (13) при различных текущих значениях зенитного угла, необходимо определить значения параметра L по формулам (6) и (4), в которые вместо ij и следует подставить ij.

После несложных преобразований формулы (6) получают выражение для определения длины L направляющей штанги, на которой установлен опорно-цент- рирующий элемент диаметром D ц 0,214 м;

Лиц- DT - D-Dr

ijKd-K) ij(l-K)

,4 (м) .

(14)

Для отклонителя без оь орно-центри- рующего элемента на направляющей штанге и с центратором, установленным на шарнирной муфтой, из формулы (4) имеют

.1 D-d I Dr4-d- , , . f.

Ьц У -Т 5 ( (5)

1 i I 1з

I . ,

Следует отметить, что отклонитель всегда искривляет скважину в направ- лении стенки, в которой прижата средняя часть его направляющей штанги. При реализации второго варианта способа при использовании отклонителя без опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге производится уменьшение зенитного угла скважины с постоянной интенсивностью.

1590536

Определение режима осевой нагрузки для различных значений угла ц при использовании шарнирного отклонителя с опорно-центрируннцим элементом на направляющей штанге, длина которой равна 2,4 м, производят из условия (12).

Так при ц 13 и 1,

г 3.5

.-3 1

кЮ -.В результате расчетов по форМ

муле (12) с использованием вьфажения (7) получают область допустимых значе- Чий режимов осевой нагрузки, при которой осуществляется набор зенитного угла с заданной интенсивностью, эта область определяется неравенством G 110 кН. Проверочные расчеты для других текущих значений ц показывают, что область допустимых нагрузок с увеличением угла if расширяется и при С/д 90 имеет G 1000 кН.

Таким образом, данную скважину следует бурить при осевой нагрузке G cilOO кН во всем интервале набора зенитного угла, причем в интервале от (f 5°до f 13 необходимо исполь- ,зовать шарнирный отклонитель без опор- но-дентрирующего элемента на направляющей штанге и длине последней, равной 6,8 м, а в интервале набора зенитного угла от с 13 до t/ 90 применять шарнирньй отклонитель с , опорно-дентрирующим элементом (D 214 мм) на направляющей штанге, длина которой должна быть равна 2,4 м.

Реализа1щя способа позволяет не- . кривлять скважину в анизотропных породах с постоянной интенсивностью при оптимальной нагрузке во всем интервале бурения.

Для уменьшения зенитного угла с величины, например, от 90 до 20 при

-3 1

,5 -10 - следует применить отклоJO

рузке, которая определяется из выражения (13) с подстановкой в него формулы (7) и исходных параметров, характеризующих условия бурения. Расчетным путем по предлагаемой методике получено значение области допустимых осевых нагрузок (в диапазоне уменьшения угла (р) G 326 кН. Следовательно,

0 уменьшение зенитного угла при исполь- зованиилпредлагаемого способа можно производить с постоянной расчетной интенсивностью.

Технические преимущества способа

5 по сравнению с известным состоят в

том, что он позволяет искривлять скважины с заданной постоянной интенсивностью при оптимальной по механической скорости осевой нагрузке во всем

0 диапазоне бурения скваясины. Кроме того, преимущества способа заключаются в повьшении точности проводки скважины, что позволяет получить существенный эффект при вскрытии маломощных

5 продуктивных пластов залежей нефти и газа.

Формула изоб

Р е т е н и я

30...

Способ искривления скважины шарнирным отклонителем, заключающийся в изменении защитного угла скважины, предварительно забуренной в заданном азимуте искривления, о т л и ч а ю щ и -й- с я тем, что, с целью повьшзения точ- 35 ности проводки скважины за счет искривления ее с постоянной интенсивностью, в процессе бурения направля- штангу отклонителя поддерживают в положении, при котором она опирает-, ся своей средней частью о верхнюю или нижнюю стенку скважины путем установ- ления режима осевой нагрузки, соответствующего расчетному значению интен40

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано, в частности, при бурении наклонно направленных скважин в анизотропных и изотропных породах забойными двигателями или ротором. Цель изобретения - повышение точности проводки скважины за счет искривления ее с постоянной интенсивностью. Способ искривления скважины шарнирным отклонителем предусматривает изменение зенитного угла скважины, пробуренной в заданном азимуте искривления. В процессе бурения направляющую штангу отклонителя поддерживают в положении, при котором она опирается своей средней частью о верхнюю или нижнюю стенку скважины путем установления режима осевой нагрузки, соответствующего расчетному значению интенсивности искривления. Значение осевой нагрузки не меньше максимального обеспечивает опору средней части направляющей штанги о верхнюю стенку скважины. Значение осевой нагрузки не больше минимального обеспечивает опору о нижнюю стенку скважины. Величина интенсивности искривления скважины данным отклонителем определяется из условия вписываемости в ствол направляющей штанги.

нитель без опорно-центрирующего эле- -с синности искривления, которое не мень- мента на направляющей штанге с длиной ш максимальной в первом случае и не последней 6,5 м. Выполнение условия (13) в сочетании с указанной длиной

больше минимальной во втором случае величины интенсивности искривления скважины данным отклонителем, опреде-

направляющей штанги позволяет уменьсинности искривления, которое не мень- ш максимальной в первом случае и не

больше минимальной во втором случае величины интенсивности искривления скважины данным отклонителем, опреде-