Способ определения стабилизирующей способности бурового инструмента
Владельцы патента RU 2769714:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" (RU)
Изобретение относится к области горно-буровых работ и предназначено для определения стабилизирующей способности бурового инструмента. Способ определения стабилизирующей способности бурового инструмента путем измерения отклонения ствола скважины от заданного направления заключается в том, что измеряют угол отклонения в месте пересечения бурового инструмента с пластиной горной породы, определенной твердости, в перпендикулярной плоскости пластины и в плоскости простирания пластины в интервале бурения, а показатель стабилизирующей способности бурового инструмента определяют по формуле
где Δθ - угол отклонения в перпендикулярной плоскости пластины; Δα - угол отклонения в плоскости простирания пластины; L - интервал бурения. Обеспечивается эффективность стабилизирующей способности бурового инструмента. 3 ил.
Изобретение относится к области горно-буровых работ и предназначено для определения стабилизирующей способности бурового инструмента.
При бурении скважин на производстве предусмотрены технические средства измерения и контроля искривления скважин, с помощью которых определяют стабилизирующую способность бурового инструмента (В.В. Нескоромных. Направленное бурение и основы кернометрии: Учебник. - 2-е изд. - М.:ИНФРА-М; Красноярск: СФУ, 2015, стр. 100-112, рис. 3.6 на стр. 108). В процессе бурения скважины производят измерения зенитного и азимутального углов скважины инклинометрами и по полученным данным определяют степень искривления скважины, что может служить в качестве оценки стабилизирующей способности бурового инструмента.
Недостатками данного способа является низкая эффективность определения стабилизирующей способности бурового инструмента, поскольку в данном случае достигается низкая точность определения данного параметра из-за существенного влияния на работу бурового инструмента бурильной колонны. В то же время данный способ не отличается оперативностью и объективностью из-за изменений режима бурения в процессе проходки скважин и изменчивости самих горных пород.
За прототип принят способ определения стабилизирующей способности бурового инструмента, который реализуется при использовании стенда для исследования процесса искривления скважин (Стенд для исследования процесса искривления скважин. Авторское свидетельство №1514894, Е21В 7/08, опубликовано 15.10.1989 г. Б.И. №38).
Стенд содержит прямоугольную оснастку-опалубку, разъемно связные блоки, заполненные штуфами пароды, скрепленные цементом, что позволяет имитировать горные породы различной твердости. В разъемах блоков опалубки перпендикулярно дну и продольным стенкам на равных расстояниях установлены прямоугольные пластины из легко разбуриваемого материала. Пластины закреплены в опалубке и строго привязаны друг к другу совмещением отверстий в трех углах пластин.
Исследование процесса искривления скважин осуществляется после бурения цементного блока с пластинами горных пород на заданную глубину. Поскольку при бурении буровой инструмент пересекает пластины из легко разбуриваемого материала, то можно оценить траекторию скважины и соответственно определить стабилизирующую способность бурового инструмента.
Недостатками прототипа является, низкая эффективность стабилизирующей способности бурового инструмента, т.к. оценивается данный параметр не на интервале пересечения пластины горной породы, где и происходит искривление скважины, а на интервале проходки между пластинами из легко разбуриваемого материала по полученным в пластинах отверстиям.
Изобретение направлено на повышение эффективности определения степени стабилизирующей способности породоразрушающего инструмента при пересечении контактов горных пород различной твердости, которые и являются источниками искривления скважин.
Достигается это тем, что в способе определения стабилизирующей способности бурового инструмента, путем измерения отклонения ствола скважины от заданного направления, согласно изобретению, измеряют угол отклонения в месте пересечения бурового инструмента с пластиной горной породы, определенной твердости, в перпендикулярной плоскости пластины и в плоскости простирания пластины в интервале бурения, а показатель стабилизирующей способности бурового инструмента определяют по формуле:
где Δθ - угол отклонения в перпендикулярной плоскости пластины;
Δα - угол отклонения в плоскости простирания пластины;
L - интервал бурения.
Способ характеризуется составляющими процесса искривления:
- в плоскости отклонения под прямым углом к плоскости пластины горной породы, имитирующей твердый пласт горной породы, под действием отклоняющей силы Рот;
- в плоскости простирания пластины горной породы, имитирующей твердый пласт горной породы, под действием дестабилизирующей силы, вызванной неравномерным разрушением горных пород под торцом инструмента, который при пересечении пласта опирается на горные породы различной твердости.
Таким образом, в процессе исследования определения показателя стабилизирующей способности бурового инструмента оценивается его способность к отклонению под различными силовыми факторами и учитываются особенности вооружения бурового инструмента на боковой калибрующей и на торцевой поверхностях.
Такая совокупность предлагаемого способа определения стабилизирующей способности бурового инструмента позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
Способ поясняется графически, где:
- на фиг. 1 схема контакта бурового инструмента с пластиной 2 твердой горной породы.
- на фиг. 2 (вид А-А) схема отклонения ствола скважины под углом Δθ на интервале бурения длиной L
- на фиг. 3 (вид Б-Б), результирующее отклонение Δγ на интервале бурения длиной L, между Δθ - угол отклонения в перпендикулярной плоскости пластины и Δα - угол отклонения в плоскости простирания пластины;
Стенд для определения стабилизирующей способности бурового инструмента включает блок 1, например, цементной смеси с включением в него плоской пластины 2 твердой горной породы. Твердость горной породы может быть различной, но превышать твердость материала в блоке 1. Это может быть горная порода типа гранит, долерит или другая кристаллическая твердая горная порода.
В процессе бурения под действием осевого усилия Рос и крутящего момента Мкр формируется ствол скважины 5. В точке, пересечения бурового инструмента 4 и пластины 2 скважина начнет искривляться. Как показывают эксперименты (В.В. Нескоромных. Направленное бурение и основы кернометрии: Учебник. - 2-е изд. - М.:ИНФРА-М; Красноярск: СФУ, 2015, стр. 81-87, рис. 2.42, рис. 2.44, рис. 2.45, рис. 2.46) ствол скважины 5 будет искривляться в направлении падения пласта 2 (рис. 2.42 и рис. 2.44 приведенной выше книги) и в направлении простирания контакта с пластиной 2 горной породы (рис. 2.45 приведенной выше книги).
Для определения показателя стабилизирующей способности бурового инструмента после завершения бурения блока 1 через пластину 2 твердой горной породы осуществляется разборка блока 1 на составляющие его части, а именно элементы блока 1 и пластины 2 твердой горной породы. Измеряют отклонение забоя скважины 5 в двух взаимно перпендикулярных направлениях: под прямым углом к плоскости пластины 2 горной породы Δθ и в плоскости простирания пластины 2 Δα в интервале бурения L. Сумма значений 
Показатель K равный отношению общего отклонения забоя к интервалу бурения ствола скважины 5 L определяют по формуле: 
.
где Δθ - угол отклонения в перпендикулярной плоскости пластины;
Δα - угол отклонения в плоскости простирания пластины;
L - интервал бурения.
Пример. Для сравнительного испытания стабилизирующей способности шарошечных долот с двумя (ДДА-59) и тремя шарошками (3Ш-59К-ЦА) произвели бурение вертикально забуренной скважины через блок 1, изготовленный из отвержденного цементного раствора с размещенной внутри блока пластины 2 твердой горной породы, установленной с наклоном на угол 75 градусов (см. фиг. 1).
Две скважины различными типами долот бурились последовательно в одном блоке на глубину 50 см.
После бурения двух скважин цементный блок 1 с пластиной 2 горной породы разобрали и произвели измерения, которые показали:
при бурении двухшарошечным долотом типа ДДА-59 отклонение Δθ составило 2,0 см, отклонение Δα составило 0,6 см, а интервал бурения с отклонением равен 29 см;
при бурении трехшарошечным долотом типа 3Ш-59К-ЦА отклонение Δθ составило 1,5 см, отклонение Δα составило 0,4 см, а интервал бурения с отклонением равен 31 см.
Расчеты показали, что показатель K для двухшарошечного долота ДДА-59 составил 
.
Расчеты показали, что показатель К для трехшарошечного долота 3Ш-59К-ЦА составил 
.
Как следует из расчетов показатель K оценивает степень отклонения долота в отношении величины отклонения к интервалу бурения с искривлением.
Таким образом, более высокой стабилизирующей способностью обладает трехшарошечное долото 3Ш-59К-ЦА в сравнении с двухшарошечным долотом ДДА-59. При этом отмечено, что на рост показателя K влияет повышенное отклонение как в направлении Δθ, так и в направлении Δα, но можно отметить более высокую склонность долота ДДА отклоняться от пластины под прямым углом, что может потребовать при бурении принятия мер по дополнительной стабилизации буровой компоновки в этом направлении.
Способ определения стабилизирующей способности бурового инструмента путем измерения отклонения ствола скважины от заданного направления, отличающийся тем, что измеряют угол отклонения в месте пересечения бурового инструмента с пластиной горной породы, определенной твердости, в перпендикулярной плоскости пластины и в плоскости простирания пластины в интервале бурения, а показатель стабилизирующей способности бурового инструмента определяют по формуле
где Δθ - угол отклонения в перпендикулярной плоскости пластины;
Δα - угол отклонения в плоскости простирания пластины;
L - интервал бурения.
