Способ бурения скважины
(в) МЗ (щ 2ОО2О24 С3, (5Ц 5 Е2
Комитет Российской Федерации по патентам и тонарным знакам
3СН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ ГЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
Г ГГТ : (21) 4928473/03 (22) 05.04.91 (46) 30Л 0.93 Бюл. Мя 39 — 40 (76) Покровская Галина Алексеевна (54) СПОСОБ БУРЕНИЯ CKBARNHbl (57) Изобретение относится к бурению, в частности к способу бурения скважин. Сущность изобретения: способ бурения скважины заключается во вращении породоразрушающего инструмента и подачи промывочной жидкости, циркулиру1ащей в замкну—
ТоА гидравлической системе. в которой на забое генерируются колебания от внешнего источника.
Новым в способе лвллетсл то, что вращение нородоразрушающсго инструiveHTB пооизяоцлт с постояННОй Чаетстсй, ПOOI!Uрц,;ОНЛ: апой НаГруЗКЕ На НЕМ и расходу поомывочной жидкости, при этом нс за— бое c03QBIQT вынужденнь1е «олебанил, фаза «01(. рых совпадает с фазой собственных колебаний гидравличес«ой системы. 7 ип.
2002024
Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для регионов, в которых условия очистки забоя скважин несовершенны, что приводит к резкому падению показателей бурения, Кроме того, изобретение может быть ис-, пользовано при эксплуатации скважин для очистки нефтепроводов от парафина.
Известен способ бурения скважины, заключающийся во вращении породоразруша ощего инструмента при высокоскоростной (гидромониторной) промывке забоя скважины, Вращение породор"..çðóùàK>ùåão инструмента производят забойным двигателем при заданном расходе бурового раствора и нагрузке на породоразрушающем инструменте.
К недостаткам этого способа бурения с гидромониторной системой промывки забоя относится то, что режим недостаточно эффективен для некоторых геологических разрезов, сложенных вязкопластичными породами типа глин, алевролитов, аргиллитов с пропластками известняков и мергелей.
При известных режимах этого способа бурения, определяемых заданными значениями управляющих параметров — расходом бурового раствора и нагрузкой на породоразрушающий инструмент — на забое создается. ос о>кнснное сос1ояние; образование фильтрационной корки с последующим ее наращиванием, При этом контакт зубцов шарошки долота (породоразрушающего инструмента) с породой становится минимальным, Это проявляется в резком падении механической скорости бурения и может привести к аварийным ситуациям.
Наиболее бльрким техническим решением является способ бурения скважин, заключающийся во вращении породоразрушающего инструмента и подачи промывочной жидкости, циркулирующей в замкнутой гидравлической системе, в которой на забое генерируются колебания от внешнего источника. Собственные колебания в замкнутой гидравлической системе экранируются и не участвуют в процессе промывки забоя.
Существенным недостатком этого способа является то, что источник вынужденных колебаний расположен над породоразрушающим инструментом — долотом и его воздействие на забой недостаточнс эффективно, при этом повышение механической скорости бурения незначительно (20-40%), так как система промывки забоя содержит только однородные волны олебания давления (плотности).
ЗО
Таким образом указанный способ промывки характеризуется воздействием периодических упругих колебаний давления в скоростной струе на забое скважины и связанным с ним повышение механической скорости бурения.
Способ опирается на установленный факт, что при снижении забойного давления в статическом режиме механическая скорость проходки увеличивается, Следует также отметить, что в способе неправильно оценена физическая сущность и направленность, в частности, волновых процессов в промывочной жидкости призабойной эоны, Так, вызывает сомнение утвер>кдение, что увеличение напора струи оказывает влияние на улучшение очистки забоя пропорционально росту напора.
Экспериментальными исследованиями автора установлен факт, что существуют предельные значения напора в зависимости от глубины забоя скважины, с увеличением значений которых показатели проходки начинают падать.
Из полученных автором результатов следует, что существуют предельные значения расхода бурового раствора, нагрузки на долоте и частоты вращения долота, начиная с которых механическая скорость бурения начинает резко падать.
Кроме того, в описании способа утвер>кдается, что снижение дифференциального давления на забое происходит при условии увеличения скорости струи на забое и нагрузки на долоте-породоразрушающем инструменте. Это также противоречит экспериментальным результатам, полученным автором, Кроме того, высоконапорная струя снижает воздействие пульсаций, этот факт также свидетельствует о том, что скорость струи на забое должна быть ограничена, Целью предлагаемого способа является повышение скорости бурения при повышении надежности и долговечности бурового оборудования, Поставленная цель достигается тем, что в способе бурения скважины, заключающемся во вращении породоразрушающего инструмента и подачи на забой скважины потока промывочнол жидкости, циркулирующей в замкнутой гидравлической системе, в которой на забое генери(>уются колебания от внешнего источника, согласно изобретению, вращение породоразруглающего инструмента производят с постоянной частотой, пропорциональной нагрузке н» породоразрушающем инструменте и р; сходy промывочной жидкости, при э,.»л на забое
2002024
10
50 создают вынужденные колебания, фаза которых совпадает с фазой собственных колебаний гидравлической системы, Предлагаемый способ бурения позволяет стабилизировать процесс бурения, в частности, работу циркуляционной системы промывки скважин, что повышает надежность и долговечность бурового оборудования до 50
Разработанная система, адаптиру ащаяся и самонастраивающаяся к резонансу, создает условия для возрастания механической скорости бурения до 100 и выше относительно традиционного гидромониторного режима промывки, Кроме того, такая система промывки позволяет сделать процесс бурения экологически чистым, так как при этом депрессия на пласт является минимальной.
В соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения генериру от частоту вынужденных колебаний давления в промывочной жидкости, не превышающую
100 Гц. Этот вариант выполнения изобретения целесообразно использовать при проходке устойчивых вязкопластичных пород, В другом варианте выполнения изобретения в промывочной жидкости генерируют частоту вынужденных колебаний давления, превышающую 100 Гц. Такой вариант выполнения изобретения целесообразно использовать при проходке неустойчивых геологических разрезов.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения отношение частот собственных и вынужденных колебаний волн давления в промывочной жидкости выражается числами натурального ряда.
Такой вариант выполнения изобретения позволяет за счет создания различных уровней турбулентной энергии, соответствующих различным значениям отношений частот собственных и выну>кденных колебаний (пульсаций) давления, волн плотности, получать различные гидроэнергетические уровни эффективности промывки забоя.
Таким образом предлагаемый способ способствует повышению долговечности оборудования. Наибольший эффект от использования резонансного режима может быть получен при разбуривании, так называемых, вязкопластичных пород — глин, аргиллитов, алевролитов, разбуривание которых приводит к осложненному состоя.нию бурового раствора на забое, прихвату инструмента. Ликвидация таких аварийных ситуаций требует дорогостоящих операций — проработки ствола скважины, восстановления циркуляции промывочной жидкости вдоль ствола скважины. Резонансный режим промывки способствует высокотурбулентному режиму промывки, который предупреждает -à êèå аварийные ситуации в процессе бурения.
Сравнение заявляемого техническою решения с прототипом глзволяет установить соответствие его крите ю "Новизна".
При изучении других известных решений в данчой области тех„и,сск;;= -„-„;;"паки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решени о соответствие критерию "Существенные отличия".
На фиг.1 представлен график изменения обьема закачиваемой промывочной жидкости в колонну бурильных труб в зависимости от глубины забоя скважины и буримости горной породы; на фиг.2 — график изменения нагрузки на породоразрушающии инстр, вен . . иi: ь.iicu « ат глубины забоя и коэффициента буримости горной породы; на фиг.3 — график изменения зна÷åний собственной частоть; колебаний давления в данной гидравлической системе в зависимости от ее протяженности (длины); на фиг.4 — график зависимости реологических параметров: эффективной вязкости и касательных напря>келий трения в слоя жидкости от степени турбулизации промывочной жидкостп и градиентов скоростей сдвига в ней; на фиг.5 — график изменения амплитуды давления в зависимости от соотношенля собственных и вынужденных частот колебаний; на фиг.б — схема резонансного потока промывочной жидкости; на фиг,7 — график зависимости механической скорости бурения ат параметров бурения при использовании предлагаемого способа бурения винтовым забойным двигателем.
Способ включает в себя два этапа управления процессом бурения:
1) стабилизаци о режима работы подсистемы буровые насосы-колонна-забойный двигатель-долото-порода;
2) создание высокотурбулентного потока промывочной жидкости HB забое скважины.
Для-реализации первого этапа управления разработаны алгоритмы оптимального управления режимам бурения забойным двигателем. Для этого построен .алгоритм стабилизации режима р;>боты гидравлической системы от наса-.о «забою, при этом учитыва отся прод:::колебания в промывочной жидкое, «. званные реакцией забоя и vlHTp и,, динамической нагрузкой на пор:л.", шающем инструменте.
2002024
30
Результатом реализации алгоритма управления процессом бурения является то, что вращение инструмента производят с постоянной частотой, пропорциональной нагрузке на инструмент и расходу промывочной жидкости согласно законам изменения их, представленных на фиг.1,2.
При этом в гидравлической системе создаются собственные частоты колебаний давления, которые изменяются в зависимости
0; f! yf ны забоя, как это показано на фиг,3, я та!Ох<8 спектр частот, создаваемых на эаl :: Ом Дьч!Гателе и передаваемых на забой
СКВЯХ<И! !Ы.
l,p {:. у>кдаl n i ы 8 колебания, фаза кОтОрых саВпа,!Яе с Фазой собственных колебаний гидравли 1еской системы. Постоянная часlo! B вращения парадоразруша!ощего инструм81!тя Определяется заданным пег38Г1адам Давления на забойном Двигателе в гидравлической системе, Согласна фиг.4 при высокочастотных к<»18баниях давления в промывочной жидкости (породе) плотности возрастают, поэтому вь1сокачастотное воздействие иcnonbBóåòñR при проходке неустойчивых ГВОЛГЛ ИЧВСКИХ РаЗРЕЗОВ С ИСПОЛЬЭОВаНИЕМ В качес1ве забойного дв1
П,-.и низкочастотных колебаниях дявленияп f: ! ыг Очной жидкости плотность npoMbI Bo !noé жидкости и породы уменьшения, поэтому такой механизм лучше использовать . при проходке устойчивых пород с использованием винтовых забойных двигателей. Автором установлены закономерности влияния резонансного режима течения промывочной жидкости в призабойной зоне на разгрузку забоя от дифференциального давления, или иначе, создания зоны понижен. ного давления, предразрушение породы и снятие и предупреждение образования фильтрационной корки на поверхностях призабойной зоны. Под квазирезонансным режимом промывки забоя автор подразумевает управляемый пульсационный режим, при котором отношение собственных fi и Вынужденных 1!> частот колебаний давления выражается числами натурального ряда, то есть удовлетВоряет условию; — (>) Учитывая, что резонансные кривые Возрастания амплитуды давления зависят из соотношения ff/foal, то соответственно происходит возрастание амплитуды их результирующей составляющей (фиг.5). Очевидно, .-инетическяя энергия такого пульсацианного потока пропорциональна ширине чаcòîòíàão спектра, > и отношению fi/fI>, Таким образом, каждые частотно-волновые взаимодействи;; пары собственных и вынужденных частот+(Гi) - (fI>) — вносит определенный вклад в развитие турбулентности, Возникя!Ошяя энергия Взаимодействия передается В пограничный слой, захватывая Все более Глубакие уf ровни паГраничнаГО слоя на поверхности забоя, npobiM!KBR также в пороцу призабайнаи зоны, тем самым с0эдавая эффект предрязруп:.8ни": породы (фиг.б). Малые воB".ìóù8fil!R, создаваемые ОСЦИЛЛЯТОРЯми (! ), ряспРастРя . iRIIOTCR СО cK0P0cTblo звУка, xBPBKTQ(3HÎÉ Д/ : Данной среды, в том числе породь„что приводит K ее переструктуриэяции, io ес|ь изменен1ию кал!38ктарских свай!с I!3 Ilopog. При 3Toi 8сли каждая иэ частотных састявля10щих вofl навага праоесса меньше "!00 l ц, то происходит понижение вяэк(>СГM! M платноСТИ СРBДЫ, ИНЯЧ8 ГОIЗООЯ, flOBb ШBНИ8 П РОНИцаемасти пласта, При вышеназванных процессах, когда чястат11ые составляюшие превы!ца10т 100 Гц, в среде при рВспросТрВнении малых Базм>!U!0!-1 I A I l>o:. 1 сходит пс Бы шение вязкости и платнасги. Подтверждением данной гипотезы является важный nlJBKTI!ч< сi èé )>еэ> JibTGò — пОвышенис механической .",:..npocTI бурения, долговечности и надежности Оборудования (таблица). Минимальное депрессионнае воздействие на пласт, то есть разгрузка забочая от динамического давления, способствует экологически чистой технологии бурения скважин. Кроме тога, этo noBI30nR8T СОЗДЯВЯТЬ УСЛОВИЯ ДЛЯ ПРИТОКЯ Частота вращения долота зависит ат частоты вращенMR забойногÎ Д!3игатвля пропорционально расходу промывочной жидкости О>= -К, 0i (2) О, где К вЂ” тариравочный коэффициент двигателя; 01 — pBCxoG, промывОчнай жидкастИ, Определяемый параметрами насоса; 013 — базисный расход, Определяемый типОм эабОЙнОГО двиГЯтеля. 2002024 55 Интегрируя систему дифференциальных уравнений, описыва10щую модель работы циркуляционной системы промывки скважин, получаю решения относительно оптимальных значений расходов и нагрузок на долоте в виде графических зависимостей; Q = F1(H); G = F2(H), (3) представленный на фиг.1, 2.криволинейными областями, уточненных экспериментальными данными, которые расширя,от эти области. Анализ полученных решений выявил основные тенденции изменения параметров системы, в том числе собственных частот колебаний давления (фиг.3), на основе которых рассчитаны параметры системы, самонастраивающейся к резонансу. Генеоируемая энергия потока, согласно уравнению частотной энергии, имеет вид: dNIN =- М! с1М/к+ ХЧ-г 1(Аь 1 ь fig, (4) 2 7f тем самым устанавливается связь между а1лплитудными и частотными составляющими пульсационного процесса, Для реализации разработанной системы управления процессом бурения при условии стабилизации работы циркуляционной системы используется насосная система, обеспечивающая переменную подачу промывочной жидкости по заданному закону (фиг.1) и автоматическая система подачи нагрузки на долоте согласно заданному закону (фиг.2). Для реализации квазирезонансного режима используется турбобур или винтовой забойный двигатель с зубковым долотом соответствующего диаметра, зависящего от глубины скважины. Следует учесть, что долота по определенному закону создают пульсации в суспензии призабойной зоны; fB = Щlzm, (5) где - передаточная функция от забойного двигателя к долоту; а — частота вращения долота; ZIII — число зубцов долота. Зубок долота, кроме определенного воздействия на породу, создает двойной волновой эффект; при входе в породу-ударное воздействие, и при выходе из породы— волну разрежения. Скорость распространения малых возмущений, соответствующих скорости распространения в paIIIIOI среде, зависит Or свойств горной породы или суспензии призабойной зоны, поэтому составляющие возмущений (пульсаций) на забое имеют широкий переменный спектр. Если бурение Осуществл. .ется в устойчивых геологических разрезах, то частоты i0 g0 колебаний давления как собственные 1 так и вынужденные fl> не должны превышать 100 Гц. При проходе неустойчивых геологических разрезов частоты колебаний давления допускают ".начения в . ше 100 Гц, Однако резонансное условие (1) по-прежнему должно выполняться. Процесс стабилизации работы циокуляционной системы промывки скважины согласно результатам исп lтз.1 ..«таблица, вариант 1) создает условие для п Вышения дол говечн ости 060 p i" 088Н éI- 118 100, с повышением механической скорости бурения на 50). относительно известного способа бурения. В варианте 1 таблицы при88ã8íû Оезультаты промыслосых испытаний, полу -;енных при использовании известного способа бурения скважины и предла1аемого способа с гидромониторной промь.вкой забоя при условии стабилизации рабаты циркул-.bIèoIIv i C kj C T 8 Основываясь на результатах пpOI"-.8! Таким образом, имея В виду,.:тс 1.:,з1::060pOTHbl8 Туобобypbl C03pBIOT Вь:С01;Очлстатный ре>ким промывки, 11> необходи ;:0 использовать при бурении неустой-гиI:bi# пород — хрупких глин, песчаников. Бинтовые забойные двигатели способствуют создани1о низкочастотных соГствен.-. Ых частсгг колебаний в системе (фиг.3), поэтому il;; рскомендуется использовать при проход:=: ВязкОгlластичных ПОООд. Кроме того, разработанныи се>к:I. . Гз рения забойным двигателем по=-сол.-ет согласно зало>кенной модели . г iавлен я процессом бурения, создават.::. -:..:Iliã.":,;:ные диффере1;:",иальное давлени на =-:, Ос и перепад давления на долоте, а л1;:;:.. а,тимал ьн ые гид родинамические на груз . .; В буровое Оборудование, что значит л 1.,"0;, я:-:личивает сроки службы оборудован их !", -. вых установок. Один цикл ликвидации авар;::.-ь х л . аций совместно с простОем >уровой 011 . "I 2002024 Средний интервал бурения, м Способ бурения по механической скопо ресурсу долота ости Вариант 1 1208-1290 Известный Предлагаемый 100 200 1290-1397 Вариант 2 2270-2316 150.100 180 Известный Предлагаемый 215 2347-2445 Вариант 3 3000-3100 100 более 200 200 Известный Предлагаемый 3100-3500 Г вается приблизительно в миллион рублей. На фиг,7 представлены экспериментельные зависимости механической скорости бурения от режимных. параметров бурения для глубины забоя 2300: частоты авращения 5 долота или забойного двигателя, нагрузки G на породораэрушающем инструменте, расхода Q б6у р о0в8оoгrо o рpа с тTв оoр а, из которых слеФормула изобретения 1. СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ, заключающийся во вращении породоразрушающего инструмента и подаче на забой 15 скважины промывочной жидкости, циркулирующей в замкнутой гидравлической системе, s которой на забое генерируются колебания от внешнего источника, отличающийся тем, что, с целью повышения ско- 70 рости бурения при повышении надежности и долговечности бурового оборудования, вращение породоразрушающего инструмента производят с постоянной частотой, пропорциональной нагрузке на нем и рас- 25 ходу промывочной жидкости, при этом на дует, что при попадании значений этих параметров в область "резонанса" получают резкий прирост показателей бурения, (56) Вадецкий l0.8. "Бурение нефтяных и газовых скважин", 1984, Недра (Москва), с.49-61. Патент США N. 3405770, 175-56(прототип). Соотношение в показателей б ения забое создают вынужденные колебания, фаза которых совпадает с фазой собственных колебаний гидравлической системы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что генерируют частоту вынужденных колебаний давления, не превышающую 100 Гц. 3. Способ по п,1, отличающийся тем что генерируют частоту вынужденных колебаний давления, превышающую 100 Гц. 4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что отношение частот собственных и вынужденных колебаний давления промывочной жидкости выражается числами натурального ряда. 2002024 2002024 2002024 ) C)) Я, .ВГБ%Т ГГ&Ю-ГЛ Составитель Г.Покровска Техред M. Моргентал Корректор Jl.Ливринц Реда кто р С. Кул а ко в а Заказ 3160 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035. Мо-êâà,,Ж-35, Раушскав наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат Латент", г, Ужгород, ул. Га .à-ð::-æ;à, 1 
