Способ направленного бурения скважин отклонителем с направляющей штангой

 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе бурения удерживают ось нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины, а искривление ствола скважины осуществляют смещением верхнего конца направляющей штанги от оси скважины к стенке ствола скважины, противоположной направлению искривления, и удержанием его у этой стенки усилием F_c, определяемым расчетным путем, а удержание оси нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины осуществляется упругими опорными планками каркаса опорно-центрирующего элемента упругого центратора, жесткость которых определяется расчетным путем. Изобретение позволяет повысить точность проводки скважины. 1 ил.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Известен способ направленного бурения скважин отклонителем с направляющей штангой, при котором в процессе бурения удерживают ось нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины, а искривление ствола скважины осуществляют смещением верхнего конца направляющей штанги от оси скважины к стенке ствола скважины, противоположной направлению искривления, и удержанием его у этой стенки [1].

В этом способе направленного бурения смещение и удержание верхнего конца направляющей штанги для обеспечения искривления ствола скважины осуществляют за счет упругой силы опорных планок децентратора, размещенного у верхнего конца направляющей штанги.

В указанном способе направленного бурения не учтены геолого-технические условия бурения, то есть не содержатся рекомендации по определению величины упругой силы опорных планок децентратора и опорно-центрирующего элемента в зависимости от геолого-технических условий бурения искривляемого интервала скважины, что может привести к недостаточно надежной фиксации верхнего конца направляющей штанги у стенки ствола скважины, противоположной направлению искривления, и, как следствие, не позволит получить расчетные значения интенсивности искривления ствола скважины.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявленному является способ направленного бурения скважин отклонителем с направляющей штангой [2] , при котором в процессе бурения удерживают ось нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины, а искривление ствола скважины осуществляют смещением верхнего конца направляющей штанги от оси скважины к стенке ствола скважины, противоположной направлению искривления, и удержанием его у этой стенки. При этом удержание верхнего конца направляющей штанги осуществляют усилием F_c, учитывающим основные геолого-технические факторы, выраженные через силы и моменты, действующие на направляющую штангу в плоскости искривления ствола скважины. Сила F_c определяется из соотношения где F_A = 0,5•σ_пр•S_k•h•sin2(Θ₀-ϕ) - отклоняющая сила, действующая на долото в анизотропных породах, кН; l_д - плечо действия отклоняющей силы, м; l_с - плечо действия силы F_c м; М_в - момент сил сопротивления, действующих на верхний конец направляющей штанги в плоскости искривления ствола скважины, кНм; M_З = 2D•σ_прS_к/9π - момент сил сопротивления породы повороту долота в плоскости искривления скважины, кНм; σ_пр - прочность разбуриваемых пород, кН/мм²; S_K - эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм²; h - индекс анизотропии разбуриваемых пород;
Θ₀ - угол падения пластов разбуриваемых пород, град;
ϕ - зенитный угол ствола скважины, град;
D - диаметр долота, м.

Данное соотношение получено из уравнения моментов сил, действующих на направляющую штангу в плоскости искривления скважины.

Однако в указанном способе не в полной мере учтены геолого-технические условия бурения, так как указанное техническое решение не содержит рекомендаций по определению величины жесткости опорных планок опорно-центрующего элемента (f). При действии на направляющую штангу низа бурильной колонны сил и моментов из-за деформации опорных планок каркаса опорно-центрирующего элемента в результате воздействия на них результирующей силы F_R (см. чертеж) не всегда обеспечивается надежное удержание оси нижнего конца направляющей штанги в центре поперечного сечения ствола скважины. Поэтому указанный способ не обеспечивает устойчивое положение направляющей штанги относительно стенок скважины при бурении, что не позволит выдержать заданную интенсивность искривления ствола скважины.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности проводки скважины. При осуществлении изобретения обеспечивается устойчивое положение направляющей штанги относительно стенок скважины.

Для этого определяется необходимая величина силы (F_c), достаточная для смещения и удержания верхнего конца направляющей штанги у заданной стенки скважины, а также определяется необходимая жесткость опорных планок каркаса опорно-центрирующего элемента (f), обеспечивающая удержание оси нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины.

Сила F_c определяется исходя из того, что момент от F_c, прижимающий верхний конец направляющей штанги к противоположной направлению искривления стенке ствола скважины, должен быть равен или превышать сумму остальных моментов, действующих на направляющую штангу в плоскости искривления скважины, то есть F_c•l_c≥F_A•l_д+M_З+M_B, откуда
.

Жесткость опорных планок каркаса опорно-центирующего элемента (f) должна обеспечить удержание оси нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины при действии на них результирующей от приложения на направляющую штангу сил и моментов силы
F_R=F_c+F_A+G (2),
где F_c, F_A и G - соответственно составляющие сил прижатия верхнего конца направляющей штанги к стенке отклоняющей силы, действующей на долото в анизотропных породах, и веса направляющей штанги.

В случае, когда фактический диаметр ствола скважины (D) равен диаметру опорных планок каркаса опорно-центрирующего элемента в свободном состоянии (D_ц), деформация (Δ) опорных планок от действия результирующей силы F_R составит

где f - жесткость опорных планок каркаса.

Исходя из расположения направляющей штанги в скважине удержание долота в центре поперечного сечения обеспечивается при величине деформаций упругих опорных планок каркаса опорно-центрирующего элемента

где D - диаметр долота, м;
D_T - диаметр верхнего конца направляющей штанги;
l_д - расстояние от торца долота до места касания опорных планок каркаса (плечо действия отклоняющей силы F_A);
l_с - плечо действия силы F_c, м.

Из выражений (1) - (3) определяется жесткость опорных планок каркаса опорно-центрирующего элемента

где D_T - диаметр верхнего конца направляющей штанги, м;
D - диаметр долота, м;
l_д - плечо действия отклоняющей силы F_A, действующей на долото в анизотропных породах, кН;
l_с - плечо действия силы F_c, м;
F_c, F_A - соответственно составляющие сил прижатия верхнего конца направляющей штанги к стенке и отклоняющей силы, действующей на долото в анизотропных породах.

G = mg•sinϕ - составляющая веса направляющей штанги, перпендикулярная ее оси, Н;
m - масса направляющей штанги, кг;
g - ускорение свободного падения, м/с²;
ϕ - зенитный угол ствола скважины, град.

Надежное удержание в процессе бурения верхнего конца направляющей штанги у заданной стенки скважины с усилием, определяемым из вышеуказанного соотношения (1), и удержание нижнего конца направляющей штанги в центре поперечного сечения упругими опорными планками каркаса опорно-центрирующего элемента, жесткость которых (f) определяется из выражения (5), обеспечивает проводку ствола скважины в заданном направлении с требуемой точностью.

На чертеже схематично изображен отклонитель для реализации способа направленного бурения скважин.

Способ направленного бурения скважин может быть реализован, например, с помощью шарнирного отклонителя, содержащего долото 1, установленное на нижнем конце направляющей штанги 2, опорно-центрирующий элемент в виде ствола 3 и установленного на нем с возможностью dращения каркаса 4 с опорными планками 5. На верхнем конце направляющей штанги 2 расположена шарнирная муфта 6, соединенная с валом 7 турбобура или забойного двигателя другого типа. Децентратор 8 с опорными планками 9 закреплен верхним концом на корпусе 10 шпинделя турбобура.

Способ направленного бурения скважин заключается в том, что благодаря деформации опорных планок 5 опорно-центрирующего элемента, имеющих жесткость
,
каркас 4 опорно-центрирующего элемента в процессе бурения надежно удерживает ось нижнего конца направляющей штанги 2 с долотом 1 в центре поперечного сечения ствола скважины даже в случаях изменения ее фактического диаметра при прохождении различных по физико-механическим свойствам пород. При этом опорные планки 5, взаимодействуя со стенками скважины, препятствуют провороту каркаса 4 в скважине, а ствол 3 опорно-центрирующего элемента свободно вращается в радиальной опоре скольжения (не показана) каркаса 4. Таким образом, ось вращения долота 1 будет располагаться в центре поперечного сечения ствола скважины при ее углублении, а каркас 4 поступательно перемещаться вдоль ствола скважины вместе с долотом 1.

Искривление ствола скважины осуществляют смещением верхнего конца направляющей штанги 2 к стенке ствола скважины, противоположной направлению искривления, и удержанием его у этой стенки. Данный эффект обеспечивается ориентированием должным образом опорных планок 9 децентратора 8 путем поворота с поверхности статорной системы турбобура. Сила F_c, удерживающая верхний конец направляющей штанги у стенки ствола скважины, создается в результате упругой деформации опорных планок 9 децентратора 8 и должна соответствовать величине, определяемой из выражения:

где F_A = 0,5•σ_пр•S_k•h•sin2(Θ₀-ϕ) - отклоняющая сила, действующая на долото в анизотропных породах, кН;
l_д - плечо действия отклоняющей силы F_A, м;
l_с - плечо действия силы F_c, м;
М_в - момент сил сопротивления, действующих на верхний конец направляющей штанги в плоскости искривления ствола скважины, кНм;
M_З = 2•D•σ_пр•S_к/9π - момент сил сопротивления породы повороту долота в плоскости искривления скважины, кНм;
σ_пр - прочность разбуриваемых пород, кН/мм²;
S_к - эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм²;
h - индекс анизотропии разбуриваемых пород;
Θ₀ - угол падения пластов разбуриваемых пород, град;
ϕ - зенитный угол ствола скважины, град;
D - диаметр верхнего конца направляющей штанги, м;
G = mg•sinϕ - составляющая веса направляющей штанги, перпендикулярная ее оси, H;
m - масса направляющей штанги, кг;
g - ускорение свободного падения, м/с².

Для полученной величины силы, удерживающей верхний конец направляющей штанги, интенсивность искривления ствола скважины i определяется по формуле:

где D_c=D - диаметр скважины, м;
D_т - диаметр верхнего конца направляющей штаги, м;
L - длина направляющей штанги, м;
l = l_с - расстояние от верхнего конца направляющей штанги до центра опорно-центрирующего элемента, м.

При этом радиус R искривления определяется по формуле:
.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает проводку наклонно направленных и горизонтальных скважин с расчетной точностью, поскольку учитывает основные геолого-технические факторы, выраженные через силы и моменты, действующие на направляющую штангу в плоскости искривления ствола скважины.

Литература
1. Поташников В.Д. Бурение наклонно-направленных скважин с применением шарнирных компоновок. Москва: ВНИИОЭНГ, 1988, с.48, рис.12.

2. Поташников В. Д. , Лисов С.И., Поташников Д.В. Способ направленного бурения скважин отклонителем с направляющей штангой. Патент РФ 2065020, бюл. 22, 10.08.96 г.

Формула изобретения

Способ направленного бурения скважин отклонителем с направляющей штангой, при котором в процессе бурения удерживают ось нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины, а искривление ствола скважины осуществляют смещением верхнего конца направляющей штанги от оси скважины к стенке ствола скважины, противоположной направлению искривления, и удержанием его у этой стенки усилием F_c, определяемым из соотношения

отличающийся тем, что удержание оси нижнего конца направляющей штанги с долотом в центре поперечного сечения ствола скважины осуществляется упругими опорными планками каркаса опорно-центрирующего элемента, жесткость которых определяется из соотношения

где F_A = 0,5•σ_пр•S_k•h•sin2(Θ₀-ϕ) - отклоняющая сила, действующая на долото в анизотропных породах, кН;
l_д - плечо действия отклоняющей силы F_A, м;
l_с - плечо действия силы F_c, м;
М_в - момент сил сопротивления, действующих на верхний конец направляющей штанги в плоскости искривления ствола скважины, кНм;
M_з = 2D•σ_прS_к/9π - момент сил сопротивления породы повороту долота в плоскости искривления скважины, кНм;
σ_пр - прочность разбуриваемых пород, кН/мм²;
S_k - эффективная площадь поверхности контакта вооружения долота на забое скважины, мм²;
h - индекс анизотропии разбуриваемых пород;
Θ₀ - угол падения пластов разбуриваемых пород, град;
ϕ - зенитный угол ствола скважины, град;
D - диаметр долота, м;
D_T - диаметр верхнего опорного конца направляющей штанги, м;
G = mg•sinϕ - составляющая веса направляющей штанги, перпендикулярная ее оси, H;
m - масса направляющей штанги, кг;
g - ускорение свободного падения, м/с².

РИСУНКИ

Рисунок 1