Способ бурения наклонно направленных скважин и устройство для его осуществления

 

Использование: направленное бурение нефтяных и газовых скважин для управления изменением угла отклонения траектории скважины. Сущность изобретения: прямые участки скважины бурят при вращении бурового долота и застопоренной колонне бурильных труб, а наклонные участки бурят при одновременном вращении ротора двигателя и колонны бурильных труб в одну сторону с равной частотой. Устройство содержит забойный двигатель, корпус которого соединен с колонной бурильных труб, а ротор вращается относительно продольной оси корпуса, отклоняемый шпиндельный вал, несущий буровое долото, соединительный узел ротора и шпиндельного вала, подшипниковую опору и калибратор, причем соединительный узел выполнен в виде шарнирной муфты, опора шпиндельного вала выполнена сферической с центром, лежащим на оси двигателя, а шпиндельный вал установлен в опоре с возможностью вращения относительно ее центра. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к направленному бурению нефтяных и газовых скважин и предназначено для управления изменением угла отклонения траектории скважины.

Известен способ управления азимутальным искривлением скважин, при котором проводку скважины выполняют с помощью забойного двигателя, а для нейтрализации наката одновременно с инструментом вращают колонну бурильных труб, причем управление азимутальным искривлением осуществляют изменением соотношения момента на вращение бурильного инструмента ротором и реактивного момента забойного двигателя путем задания соответствующего соотношения осевой нагрузки, расхода промывочной жидкости и частоты вращения ротора.

Устройство, реализующее способ, включает колонну бурильных труб, электробур в качестве забойного двигателя и породоразрушающий инструмент (а.с. N 1285138, кл. E 21 B 7/06, 16.05.83). Искривление скважины осуществляют без использования отклоняющих устройств. Описанные способ и устройство не позволяют выполнять управление зенитными углами.

Известен способ бурения вертикальных или направленных скважин, по которому для бурения вертикальных скважин вращают колонну бурильных труб вместе с отклонителем и инструментом, а для направленного бурения участков с набором кривизны колонну бурильных труб блокируют, нижнюю секцию отклонителя с забойным двигателем отклоняют в направлении главной оси инструмента, промежуточную секцию отклоняют в противоположную сторону, фиксируют отклонитель в таком положении и выполняют бурение забойным двигателем под заданным углом.

Устройство, реализующее способ, содержит колонну бурильных труб, трехсекционный отклонитель, верхняя секция которого соединена с колонной бурильных труб, установленный в нижней секции отклонителя погружной забойный двигатель, ротор которого через приводной вал соединен с инструментом, и стабилизаторы, установленные на нижней секции отклонителя вблизи инструмента (патент ФРГ N 3423465, кл. E 21 B 7/06, 02.05.85).

Недостатки способа и устройства - невысокая надежность, обусловленная тем, что участки скважины с набором кривизны бурят при застопоренной колонне бурильных труб, а также сложность настройки и удержания заданного угла искривления в процессе бурения.

Известна система для роторного бурения скважин, отклоняемых от прямолинейного направления проходки на заранее определенной глубине в подземной формации, включающая колонну бурильных труб (КБТ), буровой двигатель и буровое долото, установленные на нижнем конце КБТ. Буровой двигатель вращает долото независимо от вращения КБТ. Буровой двигатель прикреплен к нижнему концу КБТ с помощью изогнутого по продольной оси переходника таким образом, что продольная ось двигателя образует заранее определенный угол с продольной осью КБТ. Система оснащена измерительным устройством, с помощью которого получают информацию о направлении проходки. С измерительным устройством технологически связана система управления работой буровой двигателя, с помощью которого независимо от вращения КБТ бурят скважину по прямолинейному направлению. С измерительным устройством связана также система управления вращением КБТ. При застопоренном двигателе бурение скважины с помощью вращения КБТ вызывает отклонение направления бурения от прямой линии (см. реферат на русском языке к патенту США N 4577701, кл. E 21 B 7/04, 7/08; ИСМ N 1, 1987, с. 59). Таким образом, согласно описанному способу прямолинейный участок скважины бурят с помощью бурового двигателя независимо от вращения КБТ, а направление бурения изменяют с помощью вращения КБТ при застопоренном двигателе.

Очевидно, что этот способ вообще не имеет смысла, так как, во-первых, бурение прямолинейного участка возможно лишь при вращении КБТ вместе с независимым вращением бурового долота, а не просто с помощью бурового двигателя независимо от вращения КБТ; во-вторых, при застопоренном двигателе не будет вращаться долото, и, следовательно, при этом не только нельзя изменить направление, но невозможно и само бурение.

Известна также система бурения отклоняемых скважин, включающая устройство, содержащее КБТ, буровой двигатель для вращения долота независимо от вращения КБТ, изогнутый переходник, закрепленный на спускаемом конце КБТ и несущий буровой двигатель, MWD-систему, обеспечивающую контроль за направлением бурения, и средства управления MWD-системы; а также способ направленного бурения, который заключается в том, что для проводки прямолинейного участка ствола скважины с помощью средства управления MWD-системы приводят во вращение КБТ вместе с независимым вращением бурового долота, а для изменения направления проводки ствола скважины с помощью средства управления MWD-системы прекращают вращение КБТ и сохраняют вращение только бурового долота от бурового двигателя (патент США N 4577701, кл. E 21 B 7/04, 25.03.86).

Недостатки этой системы заключаются в том, что она обладает недостаточной эксплуатационной надежностью, так как бурение наклонных участков ствола скважины выполняют при невращающейся КБТ, что может привести к заклиниванию труб, и ограниченными функциональными возможностями, так как изогнутый переходник является нерегулируемым. Кроме того, надежность системы снижается из-за значительных осевых нагрузок, действующих на изогнутый переходник.

В качестве прототипа приняты погружной буровой мотор и способ направленного бурения скважин (патент США N 4492276, кл. E 21 B 7/04, 08.01.85). Погружной буровой мотор для направленного бурения скважин включает жесткий корпус со стабилизаторами для центрирования продольной оси корпуса в скважине, верхний конец корпуса соединяется с нижним концом бурильных труб, ротор, вращающийся относительно продольной оси корпуса, гибкий элемент, соединяющий ротор со шпиндельным валом, к которому крепится буровое долото, и опорный подшипниковый узел, смонтированный в нижнем конце корпуса и постоянно отклоняющий буровое долото относительно оси корпуса на фиксированный угол.

Согласно способу бурения прямого участка ствола скважины осуществляют при одновременном вращении бурового долота и корпуса мотора, разбуриваемый диаметр скважины при этом несколько превышает диаметр бурового долота. Для направленного бурения корпус мотора останавливают, фиксируя буровое долото в заданном азимутальном направлении, и, сохраняя вращение бурового долота, за счет фиксированного угла установки шпиндельного вала проходят наклонные участки ствола скважины.

Недостатки прототипов заключаются в невысокой эксплуатационной надежности, обусловленной тем, что проводку участков скважины с набором кривизны осуществляют при застопоренном корпусе, на котором закреплены стабилизаторы, что не исключает возможности заклинивания. Кроме того, отклоняющее устройство является нерегулируемым, что ограничивает его функциональные возможности.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение эксплуатационной надежности и расширение функциональных возможностей.

Техническими результатами, которые могут быть получены при использовании изобретений, являются проходками наклонных участков скважины при одновременном вращении колонны бурильных труб и бурового долота, что исключает возможность заклинивания КБТ, а также возможность регулирования угла установки отклонителя.

Поставленная задача решается заявляемыми изобретениями за счет того, что в способе наклонно направленного бурения, включающем последовательное бурение прямых и наклонных участков путем взаимного относительного вращения колонны бурильных труб и/или шпиндельного вала с буровым долотом, бурение прямых участков осуществляют вращением шпиндельного вала при застопоренной колонне бурильных труб, а бурение наклонных участков осуществляют при одновременном вращении колонны бурильных труб и шпиндельного вала, причем колонну бурильных труб вращают в одном направлении с вращением шпиндельного вала и с частотой, равной частоте вращения шпиндельного вала.

Заявленный способ реализуется устройством, которое содержит забойный двигатель, корпус которого соединен с нижним концом колонны бурильных труб, а ротор, установлен с возможностью вращения относительно продольной оси корпуса, шпиндельный вал, на котором закреплено буровое долото, соединительный узел ротора и шпиндельного вала, опору шпиндельного вала и калибратор, закрепленный на корпусе двигателя, причем соединительный узел выполнен в виде шарнирной муфты, опора шпиндельного вала выполнена сферической с центром, расположенным на оси двигателя, а шпиндельный вал установлен в опоре с возможностью вращения относительно указанного центра.

Сферическая опора шпиндельного вала установлена в корпусе с возможностью перемещения вдоль его оси.

На чертеже приведен общий вид предлагаемого устройства для наклонно направленного бурения в разрезе.

Устройство содержит забойный двигатель 1, корпус 2 которого с помощью переходника 3 соединен с нижним концом бурильных труб, а ротор 4 установлен с возможностью вращения относительно продольной оси корпуса 2, шпиндельный вал 5, на котором закреплено буровое долото 6, соединительный узел ротора 4 и шпиндельного вала 5, выполненный в виде шарнирной шлицевой муфты 7 с шаровой опорой 8, установленную в корпусе 2 сферическую подшипниковую опору 9 шпиндельного вала 5, центр которого расположен на оси двигателя 1, причем шпиндельный вал установлен с возможностью вращения относительно указанного центра, и калибратор 10, установленный на корпусе 2 вблизи бурового долота 6. Сферическая подшипниковая опора 8 установлена в корпусе 2 с возможностью осевого перемещения.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. При проходке прямых участков ствола скважины колонну бурильных труб и вместе с ней корпус 2 забойного двигателя 1 стопорят. При включении насоса за счет скоростного напора промывочной жидкости ротор 4 вращается и через шарнирную муфту 7 передает вращение шпиндельному валу 5 с буровым долотом 6. Шпиндельный вал 5 вращается в сферической опоре 9, при этом продольная ось вращающегося шпиндельного вала 5 описывает коническую поверхность с вершиной в центре опоры 9, а буровое долото 6 разбуривает скважину диаметром D_скв > D_дол.

Для бурения наклонных участков колонну бурильных труб и соответственно корпус 2 двигателя вращают в направлении вращения ротора 4 с частотой, равной частоте вращения ротора. При этом угол ϕ наклона шпиндельного вала 5 и оси долота 6 стабилизируется. Величина угла наклона ϕ определяется эксцентриситетом e ротора 5 и положением сферической опоры 9. Вместе с колонной бурильных труб и корпусом 2 вращается и калибратор 10, который формирует окончательный диаметр наклонного участка скважины. Для изменения угла ϕ установки отклоняемого шпиндельного вала 5 изменяют положение сферической опоры 9 в корпусе 1.

Техническими преимуществами заявляемых изобретения по сравнению с прототипом являются проводка наклонных участков скважины при вращении колонны бурильных труб, что исключает возможность заклинивания ее; возможность регулирования угла установки отклоняемого шпиндельного вала; исключение специальных отклоняющих устройств или изогнутых переходников.

Кроме того, использование заявляемого изобретения позволяет интенсифицировать процесс набора кривизны за счет уменьшения расстояния от забоя до центра сферической опоры.

Формула изобретения

1. Способ бурения наклонно направленных скважин, включающий последовательное бурение прямых и наклонных участков путем относительного вращения колонны бурильных труб и/или шпиндельного вала забойного двигателя с буровым долотом, отличающийся тем, что бурение прямых участков осуществляют вращением шпиндельного вала при застопоренной колонне бурильных труб, а бурение наклонных участков осуществляют при одновременном вращении колонны бурильных труб и шпиндельного вала, причем колонну бурильных труб вращают в одном направлении с вращением шпиндельного вала и с частотой, равной частоте вращения шпиндельного вала.

2. Устройство для бурения наклонно направленных скважин, содержащее забойный двигатель, корпус которого соединен с нижним концом колонны бурильных труб, а ротор установлен с возможностью вращения относительно продольной оси корпуса, шпиндельный вал, на котором закреплено буровое долото, соединительный узел ротора и шпиндельного вала, подшипниковую опору шпиндельного вала и калибратор, закрепленный на корпусе двигателя, отличающееся тем, что соединительный узел выполнен в виде шарнирной муфты, опора шпиндельного вала выполнена сферической с центром, расположенным на оси двигателя, а шпиндельный вал установлен в опоре с возможностью вращения относительно указанного центра.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что сферическая опора шпиндельного вала установлена в корпусе с возможностью перемещения вдоль его оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1