Способ бурения глубоких скважин Советский патент 1992 года по МПК E21B7/00 

Изобретение относится к бурению глубоких скважин, в частности к способу бурения скважин, в которых в процессе бурения образуются каверны и сужения ствола, т.е. имеются области уширения и сужения ствола.

Известен способ бурения глубоких скважин, в котором нагружение породораз- рушающего инструмента осуществляют частью веса бурильных труб, на которых этот инструмент закреплен.

Недостатком способа является то, что небольшая жесткость бурильных труб при потере продольной устойчивости способствует размещению их по поверхностям каверн, создавая условия повышенных знакопеременных напряжений при вращении инструмента, а использование значительной длины бурильных труб для создания необходимой нагрузки на долото, увеличивает аварийность инструмента, как за счет простого суммирования количества

каверн, так и за счет роста размера каверн по мере удаления от забоя.

Известен также способ бурения скважин, имеющих уширения и сужения ствола, согласно которому осуществляют подачу бурового раствора, вращают буровой инструмент и передают осевую нагрузку на долото посредством веса части бурильного инструмента, в состав которого входят утяжеленные бурильные трубы. Для снижения аварийности инструмента, а точнее снижения поломок бурильных труб, в компоновку низа бурильного инструмента включены утяжеленные бурильные трубы (УБТ). Нагружение породоразрушающего инструмента осуществляется частью УБТ от 0,75 общего их веса.

Общий вес определяют по запланированной нагрузке с учетом указанных коэффициентов. Длина тяжелого низа, состоящего из УБТ, как правило, составляет 150-250 м. Известный способ реализуют

Ч

.4 СЛ 00

СЛ

iK

следующим образом. При подходе бурильного инструмента к забою включают подачу бурового раствора, включают вращение бурильного инструмента. Нагружают породо- разрушающий инструмент утяжеленными бурильными трубами начиная с малой нагрузки на время приработки долота с последующим выходом на проектную нагрузку. Далее на протяжении всего долбления поддерживается проектная нагрузка.

Недостатком данного способа является то; что в процессе нагружения долота до проектной нагрузки утяжеленные буриль- ныетрубытеряютпродольнуюустойчивость под действием собственного веса с размещением их в виде спирали по стенкам скважины, обеспечивая зависание е местах сужения и кавернах. При вращении инструмента возникающая за счет трения о стенки скважины и качения по поверхности сужения и каверны ствола подъемная сила настолько велика, что нагрузка на долото в отдельных случаях снижается до нагрузки. близкой к нулю, Такое падение нагрузки сопровождается сбросом УБТ из каверны. Этот процесс носит циклический характер с частотой, близкой частоте вращения инструмента, так называемые низкочастотные колебания (50-150 ГЦ), Сброс УБТ в сторону забоя ведет к циклической перегрузке долота с преждевременным выходом его из строя.

Целью изобретения является повышение износостойкости долота путем предупреждения возникновения низкочастотных колебаний бурильного инструмента в стволе скважины, имеющем полости уширений. увеличение механической скорости бурения путем направленного использования низкочастотных колебаний бурильного инструмента его упором в сводную часть уширения для отражения упругой волны и направления ее в сторону забоя и поддержания выбранного режима работы бурильного инструмента.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу бурения определяют местоположение и размеры зоны уширения, рассчитывают длину инструмента до уширения, определяют вес этого инструмента с учетом выталкивающей силы, определяют критическую длину инструмента, при которой происходит потеря продольной устойчивости, соизмеримую по длине с уширением, определяют критический вес инструмента, после чего нагрузку на долото находят суммированием весов отмеченных выше частей инструмента; рассчитывают длину инструмента до уширения, определяют вес этого инструмента, рассчитывают

длину инструмента, размещенного в полости уширения, после потери устойчивости, определяют вес этого инструмента, определяют вес инструмента, зависающего на донной поверхности полости уширения при его качании по этой поверхности, после чего нагрузку на долото находят суммированием весов отмеченных выше частей инструмента; для увеличения механической скорости

бурения путем направленного использования низкочастотных колебаний бурильного инструмента его упором в сводовую часть уширения для отражения упругой волны в сторону забоя, рассчитывают длину инструмента до сводовой части уширения, определяют вес этого инструмента, определяют критическую длину инструмента, при которой происходит потеря продольной устойчивости, соизмеримую по длине с

уширением, определяют критический вес инструмента, после чего нагрузку на долото находят суммированием весов рассмотренных частей инструмента; для поддержания выбранного режима работы бурильного инструмента, в ходе бурения определяют величину продвижения забоя, определяют вес инструмента длиной, равной продвижению забоя, и повышают нагрузку на долото на величину этого веса.

Перед началом бурения или в ходе его определяют профиль ствола скважины в зоне нахождения части инструмента, участвующего в нагружении долота. Определяют уширения (каверны) сужения ствола, размер

которых позволяет разместиться потерявшему продольную устойчивость инструмента по стенкам этого уширения или сужения. Длина такого уширения (сужения) соответствует длине полуволны синусоиды, определяемой по известной формуле Эйлера, характеризующей потерю устойчивости стержня от собственного веса

45

;№

где Е - модуль продольной упругости;

I - осевой момент инерции;

q - масса У ВТ, приходящаяся на едини- цу ее длины;

k - коэффициент, характеризующий условия защемления стержня, т.е. защемления УБТ на забое.

Более мелкие уширения во внимание не принимаются. (Уширения формируются, как правило, естественной кавернозносгью. Сужения формируются при выпучивании глинистых пород и отфильтровывании жидкой фазы бурового раствора в проницаемые пропг.эстки). Нагружение долоьа осуществляют частью инструмента, находящейся ниже уширения. Эта часть не зависает на донной поверхности уширения. Дополнительно нагружают долото частью инструмента, находящейся в зоне уширения, которая не теряет продольной устойчивости и поэтому не может зависнуть на его донной поверхности.

Если имеющейся нагрузки недостаточно для эффективного разрушения горной породы, нагрузку увеличивают, заполняя инструментом, участвующим в нагружении, уширение. В этом случае начинает действовать подъемная сила от качения инструмента по поверхности донной части уширения, которая зависит и от формы уширения, ее размеров и от частоты вращения инструмента, которая за счет центробежных сил увеличивает степень прижатия инструмента к стенке скважины и уширения. Для компенсации подъемной силы необходимо подключить дополнительную часть инструмента, не позволяющую подъемной силе отрывать долото от забоя и создавать колебания в нагружении долота. Дальнейшее подключение инструмента способствует увеличению нагрузки на долото до необходимой величины,

В ситуациях, когда ограничено время бурения и проходка на долото, например, производство геофизических работ, окончание бурения и т.д., а ресурс долота не исчерпан, целесообразно повысить механическую скорость, что позволяет уменьшить время запланированного интервала бурения. В этих случаях форсируют бурение, провоцируя колебательные процессы бурильного инструмента, для чего в нагружении используют часть инструмента, находящуюся ниже уширения, часть бурильного инструмента, уложенную на донной поверхности уширения-сужения, которая обеспечивает действие подъемной силы, возбуждающей колебания инструмента с интенсификацией процесса разрушения за счет повышения нагрузки на долото при сбросе инструмента с донной поверхности, и «асть инструмента, обеспечивающую его упор в сводовую часть уширения-сужения для отражения упругой волны в сторону забоя, формируемую при падении долота на забой.

Выбранный режим работы инструмента поддерживается стабилизацией пространственного положения, так называемого нейтрального сечения инструмента, сечение между сжатой нижней частью его и растянутой верхней. Это положение стабилизируют относительно выбранного положения уширения, сужения. Для поддержания такоги

положения по мере продвижения забоя повышают нагрузку на величину, определяемую весом инструмента с учетом выталкивающей силы, длина которого равна 5 проходке на рассматриваемый момент времени.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что учитывают профиль скважины, уширения-сужения, их местопо0 ложение относительно части инструмента, участвующей в нагружении долота, и определяют размер этой части в зависимости от задач, поставленных перед бурением с поддержанием выбранного режима работы ин5 струмента.

На чертеже представлена схема нагру- жения долота.

Долото 1, навинченное на конец бурильного инструмента 2, находится в скважине

0 4, имеющей уширение 3. 0-0 - нейтральное сечение инструмента. Нижняя от нейтрального сечения часть находится в сжатом состоянии, верхняя - в растянутом. Долото 1 может быть нагружено частью инструмента

5 2, находящейся в скважине 4 до уширения 3, и частью инструмента в этом уширении, которая не теряет продольную устойчивость. Долото 1 может быть нагружено частью инструмента 2 до уширения 3, частью,

0 уложенной на донной поверхности уширения, и частью инструмента, обеспечивающей компенсацию подъемной силы, возникающей при его качении по донной поверхности уширения. Долото 1 может

5 быть нагружено частью инструмента 2, находящейся ниже уширения 3, частью инструмента, уложенной на донной поверхности уширения, и частью, обеспечивающей его качение по донной поверхности уширения с

0 возникновением подъемной силы и упор бурильного инструмента в сводовую часть уширения для отражения упругой волны, возбуждаемой на забое в сторону забоя. Способ осуществляется следующим об5 разом,

В начале бурения определяют профиль забоя, выявляют зону уширения 3, его местоположение от забоя, рассчитывают длину инструмента 2 до уширения, опреде0 ляют вес этого инструмента с учетом выталкивающей силы. определяют критическую длину инструмента, при которой происходит потеря продольной устойчивости, или критический вес

5 инструмента. Нагрузку на долото определяют как сумму весов этих частей инструмента. После нагружения долота 1 в процессе бурения поддерживают режим работы инструмента 2 догружением долота на вес части инструмента длиной, равной проходке на рассматриваемый момент времени.

При недостаточности нагрузки для эффективного разрушения горных пород увеличивают нагрузку до размещения инструмента 2 после потери устойчивости на донной поверхности уширения 3, а после появления вибраций, как правило, наблюдаемых на устье скважины, увеличивают нагрузку до исчезновения этих вибраций, Длина части инструмента 2 над уширением 3, используемая для компенсации подъемной силы, примерно равна длине части инструмента, размещенной в уширении, и нейтральное сечение 0-0 в этом случае находится над уширением на расстоянии от него, равном длине этого уширения.

Для возбуждения колебаний инструмента 2, с целью повышения механической скорости, в нагружении долота 1 используется часть инструмента 2 ниже уширения 3 и часть с полным расположением в уширении с обеспечением упора в сводовую часть, Поддержание режима работы во всех случаях осуществляется одинаково, с постоянным наращиванием нагрузки до исчерпания ее резерва, т.е. до полного использования части инструмента, которым можно создавать нагрузку. Как правило, это утяжеленные бурильные трубы (УБТ), представляющие тяжелый низ бурильного инструмента.

Формула изобретения 1. Способ бурения глубоких скважин, согласно которому осуществляют подачу бурового раствора, вращают буровой инструмент и передают осевую нагрузку на долото посредством веса части бурильного инструмента, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости долота путем предупреждения возникновения низкочастотных колебаний бурильного инструмента

в стволе скважины, имеющем полости уширении, определяют местоположение и размеры зон уширении, рассчитывают длину инструмента до уширения, определяют вес этого инструмента с учетом выталкивающей

силы, определяют критическую длину инструмента, при которой происходит потеря продольной устойчивости, соизмеримую по длине с уширением, определяют критический вес инструмента, после чего прикладывают к долоту нагрузку, которую находят суммированием весов, отмеченных выше частей инструмента.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности

бурения, в нагружении долота используют часть инструмента, находящуюся ниже уширения ствола, часть инструмента, уложенную на донной поверхности уширения ствола с обеспечением качения инструмента по донной поверхности уширения.

3.Способ по п. 1,отличающийся тем, что нагрузку на долото определяют суммированием веса части инструмента, лежащего ниже уширения, и веса части

инструмента, полностью расположенного в уширении, с обеспечением упора в сводовую часть уширения.

4.Способ по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью поддержания заданного режима в процессе бурения, фиксируют величину продвижения забоя, определяют вес инструмента, длина которого равна продвижению забоя, и повышают нагрузку на долото на величину этого веса.

1г

Использование: бурение глубоких скважин при образовании в стволе последних каверн, Способ бурения заключается в том, что в стволе скважины определяют местоположение и размеры зон уширений, рассчитывают длину инструмента до уширения, определяют вес этого инструмента с учетом выталкивающей силы, определяют критическую длину инструмента, при которой происходит потеря продольной устойчивости, соизмеримую по длине с уширением, определяют критический вес инструмента, после чего нагрузку на долото находят суммированием весов отмеченных выше частей инструмента, что стабилизирует нагрузку на долото и исключает циклические удары долота о забой, повышается стойкость долота. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.