Способ направленного бурения наклонных скважин с заданной интенсивностью искривления

 

Использование: при бурении наклонных скважин с заданной интенсивностью искривления. Сущность изобретения: при бурении наклонного ствола скважины определяют место установки на направляющей штанге упругого центратора и с учетом жесткости его опорных планок определяют величину осевой нагрузки из соотношения: G = {2 [m_gl_osinϕ-(D_o-D_c/2)fl ± (2D/9π)σ_прS_к- - 1/2Lσ_прS_кh sin2(Θ_o-ϕ)]}/iL²+(D_c-D_т)/2+σ_прS_к, где D, D_o, D_т, D_с диаметры долота, упругого центратора в свободном состоянии, опорного сечения компоновки у верхнего конца направляющей штанги и ствола скважины, соответственно; м; L, l и l_o расстояние от верхнего торца направляющей штанги, соответственно до рабочего торца долота, опорного сечения упругого центратора и центра масс направляющей штанги, м; m масса направляющей штанги, кг; σ_пр - прочность разбуриваемых пород, кН/мм; S_к эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм; h - индекс анизотропии разбуриваемых пород; Θ_o угол падения пластов разбуриваемых пород, град; ϕ зенитный угол ствола скважины, град; f жесткость опорных планок каркаса упругого центратора, н/м; i - интенсивность искривления ствола скважины в призабойном интервале, рад/м. В интервале бурения участка стабилизации зенитного угла осевую нагрузку устанавливают равной полученному значению. В интервале увеличения зенитного угла скважины осевую нагрузку поддерживают больше величины полученного по соотношению значения. 1 ил.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонных скважин.

Известен способ направленного бурения наклонных скважин, заключающийся в искривлении ствола скважины с заданной интенсивностью путем выбора параметров направляющей штанги компоновки низа бурильной колонны и места установки опорно-центрирующего элемента в виде калибратора [1] Данный способ направленного бурения позволяет обеспечить проводку интервала стабилизации зенитного угла ствола скважины для очень ограниченных геологических условий когда отсутствует чередование по свойствам разбуриваемых пород и связанные с ним изменения фактического диаметра ствола скважины. Например, при расширении ствола скважины, ось долота смещается от центра поперечного сечения ствола к нижней стенке, что не позволяет обеспечить стабилизацию зенитного угла ствола скважины, так как место установки калибратора определено для минимального диаметра ствола скважины.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ направленного бурения наклонных скважин, содержащий искривление ствола скважины с заданной интенсивностью путем выбора параметров направляющей штанги компоновки низа бурильной колонны, включая определение места установки упругого центратора, заданную ориентацию направляющей штанги относительно стенок ствола скважины и удержание ее в этом положении в процессе бурения [2] В известном способе направленного бурения упругий центратор постоянно должен удерживать ось долота в центре поперечного сечения ствола скважины. Однако, данный способ не дает рекомендаций, позволяющих учитывать взаимосвязь геолого-технических параметров, включая жесткость опорных планок упругого центратора, и влияние ее на интенсивность искривления скважины. Так, например, если жесткость упругого центратора выбрана не оптимальной по величине, то невозможно обеспечить стабилизацию зенитного угла ствола скважины.

Изобретение направлено на повышение точности проводки наклонно-направленных скважин. При осуществлении изобретения устанавливается взаимосвязь для требуемой интенсивности искривления ствола скважины между технологическим параметром осевой нагрузкой и основными геолого-техническими факторами, определяющими направление бурения, включая параметры направляющей штанги и жесткость опорных планок упругого центратора. Путем установления определенного режима осевой нагрузки обеспечивается при известном положении направляющей штанги в стволе скважины проводка ее ствола с заданной интенсивностью искривления в изменяющихся горно-геологических условиях.

Для этого в способе направленного бурения наклонных скважин, содержащем искривление ствола скважины с заданной интенсивностью путем выбора параметров направляющей штанги компоновки низа бурильной колонны, включая определение места установки упругого центратора, заданную ориентацию направляющей штанги относительно стенок ствола скважины и удержание ее в этом положении в процессе бурения, в интервале изменения зенитного угла ствола скважины осевую нагрузку (G), устанавливают больше, а в интервале бурения участка стабилизации этого угла равной величине, определяемой из соотношения: + где D, D_o, D_т и D_c диаметры долота, упругого центратора с свободном состоянии, опорного сечения компоновки у верхнего конца направляющей штанги и ствола скважины соответственно, м; L, l и l_o расстояние от верхнего торца направляющей штанги соответственно до рабочего торца долота, опорного сечения упругого центратора и центра масс направляющей штанги, М; m масса направляющей штанги, кг; σ_пр прочность разбуриваемых пород, кН/мм²; S_k эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм²; h индекс анизотропии разбуриваемых пород;
Θ_о угол падения пластов, разбуриваемых пород, град;
ϕ зенитный угол ствола скважины, град;
f жесткость опорных планок каркаса упругого центратора, н/м;
i интенсивность искривления ствола скважины в призабойной зоне, рад/м.

Предложенное соотношение получено из равнения моментов относительно верхнего конца направляющей штанги.

Схема сил, действующих на направляющую штангу, изображена на чертеже где G осевая нагрузка;
Р_с составляющая веса Рн.ш. направляющей штанги, перпендикулярная ее оси;
R_y сила упругой деформации каркаса центратора;
R_з равнодействующая сил сопротивления породы рабочему торцу долота;
F_a отклоняющая сила, действующая на долото в анизотропных породах.

Уравнение моментов, действующих на направляющую штангу в плоскости искривления ствола скважины, имеет вид
М_рс MR_y + М_з + М_о + М_а, где М_рс Р_сl_o момент от составляющей веса Р_с направляющей штанги;
MR_y [(D_o D_c)/2]fl момент от силы упругой деформации каркаса центратора;
М_з ± 2D σ_пр S_k / 9 π момент сил сопротивления породы повороту долота в плоскости искривления ствола скважины, со знаком "+" при увеличении зенитного угла и со знаком "-" при его уменьшении;
М_о 0,5(G σ_прS_k)(iL² + (D_с D_т)/2) опрокидывающий момент, возникающий за счет несоосности действия осевой нагрузки G и силы сопротивления Rз породы рабочему торцу долота;
М_а 0,5 σ_прS_ksin2(Θ_o ϕ)L момент от отклоняющей силы Fa, действующей на долото в анизотропных породах;
Р_с mgsin ϕ составляющая веса направляющей штанги, перпендикулярная ее оси.

После подстановки указанных выражений в уравнение моментов, действующих на направляющую штангу в плоскости искривления ствола скважины получаем:
mgl_osin ϕ (D_o D_c)fl/2 + 2D σ_прS_k/9 π + + 0,5(G σ_прS_k)(iL² + (D_c D_т)/2) + + 0,5 σ_прS_khsin2(Θ_o ϕ)L.

Отсюда:
+
Данное соотношение устанавливает взаимосвязь между осевой нагрузкой на долото, интенсивностью искривления скважины в призабойном интервале и параметрами, характеризующими направляющую штангу и геолого-технические условия бурения.

Исходным условием для вывода данного соотношения является равенство нулю упомянутого результирующего опрокидывающего момента, что соответствует условию движения направляющей штанги по прямолинейной траектории. Поэтому, полученное отсюда значение осевой нагрузки, является тем пороговым значением, которое определяет бурение прямолинейного интервала (участка стабилизации). Превышение же этого порогового значения приводит к увеличению опрокидывающего момента и искривлению ствола скважины с известной интенсивностью. Данное соотношение также позволяет учесть деформацию опорных планок упругого центратора при выборе осевой нагрузки на долото для проводки стволов скважины с заданной интенсивностью их искривления. Из данного соотношения следует, что при сравнительно небольшом значении величины жесткости опорных планок центратора для перевода компоновки из режима стабилизации направления бурения в режим искривления ствола скважины необходимо увеличить осевую нагрузку G.

На чертеже изображена компоновка низа бурильной колонны для реализации способа направленного бурения наклонных скважин.

Способ направленного бурения наклонных скважин может быть реализован, например, с помощью компоновки низа бурильной колонны (КНБК), содержащей направляющую штангу, включающую долото 1, удлинитель 2 и упругий центратор, состоящий из каркаса 3 с опорными планками 4 и установленной с возможностью вращения относительно ствола 5. Удлинитель 2 соединен с вышерасположенным элементом 6 КНБК.

При направленном бурении наклонных скважин удерживают верхний конец направляющей штанги, например, у нижней стенки ствола скважины. Это достигается с помощью соответствующих технических средств или под действием веса элементов КНБК. Упругий центратор 3 обеспечивает удержание оси долота 1 в центре поперечного сечения ствола скважины до достижения определенного зенитного угла, величина которого зависит от жесткости опорных планок 4 каркаса 3 центратора. Интенсивность i искривления ствола скважины до достижения этого угла определяется по формуле:
i (D_c D_т)/Ll рад/м, где D_c диаметр скважины, м;
D_т диаметр опорного сечения компоновки у верхнего конца направляющей штанги, м;
L длина направляющей штанги, м;
l расстояние от верхнего конца направляющей штанги до упорного сечения упругого центратора, м.

Для обеспечения значения величины интенсивности искривления ствола скважины выбирают параметры и место установки на удлинителе 2 упругого центратора (расстояние l, которые, согласно вышеуказанной формуле, и обеспечивают расчетную интенсивность искривления скважин в известном диапазоне изменения зенитного угла.

С учетом расчетного значения интенсивности, параметров направляющей штанги, места расположения упругого центратора и жесткости опорных планок 4 его каркаса 3, а также других основных геолого-технических факторов, определяют осевую нагрузку G из следующего соотношения:
+
где D, D_o, D_т, D_c диаметры долота, упругого центратора в свободном состоянии, опорного сечения компоновки у верхнего конца направляющей штанги и ствола скважины, соответственно, м;
L, l и l_o расстояние от верхнего торца направляющей штанги соответственно до рабочего торца долота, опорного сечения упругого центратора и центра масс направляющей штанги, м;
m масса направляющей штанги, кг;
σ_пр прочность разбуриваемых пород, кН/мм²;
S_k эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм²;
h индекс анизотропии разбуриваемых пород;
Θ_o угол падения пластов разбуриваемых пород, град.

ϕ зенитный угол ствола скважины, град.

f жесткость упругого центратора, Н/м;
i интенсивность искривления ствола скважины в призабойном интервале, рад/м.

Знак "+", перед третьим членом в числителе дроби, в случае увеличения зенитного угла и знак "-", в случае уменьшения зенитного угла.

При бурении наклонного ствола в интервале изменения зенитного угла, осевую нагрузку G устанавливают больше величины, определенной из вышеуказанного соотношения, а в интервале бурения участка стабилизации зенитного угла равной этой величине.

Опорные планки 4 каркаса 3, взаимодействуя со стенками ствола, препятствуют провороту каркаса 3 в стволе скважины. Но в то же время ствол 5 упругого центратора свободно вращается в радиальной опоре скольжения (не показана) каркаса 3. В результате ось вращения долота 1 будет располагаться в центре поперечного сечения ствола скважины при ее углублении в изменяющихся породах, а направляющая штанга с прижатым к нижней стенке ствола верхним концом.

После достижения расчетного зенитного угла, за счет деформации опорных планок 4 центратора, направляющая штанга меняет свое положение относительно стенок скважины и при расчетной величине осевой нагрузки обеспечивается равенство нулю опрокидывающего момента, действующего на направляющую штангу в плоскости искривления скважины, и тем самым обеспечивается сохранение прямолинейности направления бурения.

Таким образом, благодаря использованию заявленной взаимосвязи обеспечивается повышение точности проводки стволов наклонных скважин в сочетании с возможностью оптимизации режима осевой нагрузки в интервале изменения зенитного угла скважины.

П р и м е р. Исходные геолого-технические данные и параметры компоновки:
D 0-2159 м, D_o 0,225 м, D_т 0,178 м, D_c 0,216 м, L 4,0 м, m 520 кг σ_пр 0,9 кН/мм²; S_k 50 мм²; h 0,04, Θ_o 45^о, f 200,0 Н/мм, ϕ 30^о стабилизация.

Выбираем место установки центратора: l 2,8 м, lo 2,5 м и собираем компоновку низа бурильной колонны в соответствии с чертежом. Определяем интенсивность набора зенитного угла и величину осевой нагрузки, обеспечивающей стабилизацию зенитного угла скважины при заданном значении последнего по формулам:
i 0,0034 рад/м
+
Таким образом, для заданных геолого-технических условий и выбранных параметров направляющей штанги при осевой нагрузке G > 195 кН и ϕ < 30^ообеспечивается искривление ствола скважины с интенсивностью i 0,0034 рад/м, до достижения угла стабилизации ϕ 30^о, а после этого при бурении с осевой нагрузкой G 195 кН создаются условия для стабилизации направления бурения.

Формула изобретения

СПОСОБ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ НАКЛОННЫХ СКВАЖИН С ЗАДАННОЙ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ ИСКРИВЛЕНИЯ, включающий выбор параметров направляющей штанги, определение места установки упругого центратора, содержащего каркас с опорными планками, определение величины осевой нагрузки и поддержание ее в интервале увеличения зенитного угла больше полученного значения или равной последней в интервале стабилизации, отличающийся тем, что при определении величины осевой нагрузки учитывают жесткость опорных планок упругого центратора, а величину G осевой нагрузки определяют в соответствии с зависимостью

где D, D_0, D_т, D_с диаметры долота, упругого центратора в свободном состоянии, опорного сечения компоновки у верхнего конца направляющей штанги и ствола скважины соответственно, м;
L, l и l₀ расстояние от верхнего торца направляющей штанги соответственно до рабочего торца долота, опорного сечения упругого центратора и центра масс направляющей штанги, м;
m масса направляющей штанги, кг;
σ_пр прочность разбуриваемых пород, кН/мм²;
S_к эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм²;
h индекс анизотропии разбуриваемых пород;
Θ_o угол падения пластов разбуриваемых пород, град;
ϕ зенитный угол ствола скважины, град;
f жесткость опорных планок каркаса упругого центратора, Н/м;
i интенсивность искривления ствола скважины в призабойном интервале, рад/м.

РИСУНКИ

Рисунок 1