Профиль наклонно направленной скважины

Изобретение относится к области бурения наклонно направленных нефтяных и газовых скважин, профиль которых включает прямолинейные и искривленные участки. В качестве сопряженной переходной кривой используется отрезок укороченной эпи- или гипоциклоиды. Изменение параметров этой кривой позволяет изменять проектный зенитный угол и радиус кривизны. 4 фиг.

Полезная модель относится к области бурения наклонно направленных нефтяных и газовых скважин, проектный профиль которых включает прямолинейные и искривленные участки.

В технологиях проводки наклонно направленных и горизонтальных скважин используются трех- или пяти интервальные профили, при этом, переход от вертикального участка к наклонному или горизонтальному осуществляется по траектории, образованной дугой окружности [1]. Недостатком такого распространенного вида профиля является разрыв кривизны в точке сопряжения прямолинейного и криволинейного участков, что предопределяет технические трудности и дополнительные напряжения изгиба труб при бурении скважины, спуско-подъемных операциях, спуске обсадных колонн и внутрискважинного инструмента.

Известны предложения, заменить дугу окружности плоской кривой с линейно изменяющейся кривизной (клотоидой), что позволяет получить переходный участок профиля скважины с непрерывной кривизной [2] как это принято делать при выполнении поворотных участков автомобильных или железнодорожных магистралей.

Клотоида описывается достаточно сложными параметрическими уравнениями, включающими в себя интегральные функции, что затрудняет их применение в практических задачах.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества ствола скважины, как в процессе бурения, так и последующей эксплуатации, а также упрощение проектирования профиля скважины, в котором устранены локальные зоны разрыва кривизны траектории.

Поставленная задача решается за счет того, что в качестве сопряженной переходной кривой, соединяющей прямолинейный и искривленный участки профиля, используется отрезок укороченной эпи- или гипоциклоиды, причем изменение параметров циклоидальной кривой позволяет изменять как зенитный угол, так и радиус кривизны профиля.

Существо заявки поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 построен гипоциклоидальный профиль поперечного сечения шести заходного статора винтового забойного двигателя, на котором жирной линией выделен отрезок, имеющий по концам бесконечный радиус кривизны и используемый в настоящем изобретении.

На фиг.2 представлен график изменения радиуса кривизны гипоциклоидального профиля, число ветвей которого равно 10, а коэффициент внецентроидности равен 2.

На фиг.3 представлены расчетные трех интервальные профили с различным зенитным углом и радиусом кривизны R, иллюстрирующие широкие возможности построения профиля на базе отрезка циклоидальной кривой с различным коэффициентом внецентроидности.

На фиг.4 показан многоинтервальный профиль горизонтальной скважины, построенный с использованием прямолинейных (1, 3, 5, 7) и циклоидальных (2, 4, 6) участков.

В общем и нефтегазовом машиностроении замкнутые циклоидальные профили (фиг.1) используются при проектировании рабочих органов гидравлических машин (насосов и двигателей), компрессоров и ДВС различного кинематического отношения.

Рассматриваемый на фиг.1 отрезок циклоидального профиля в общем случае описывается простыми параметрическими уравнениями

х=e[(z-1)c₀cos+cos(z-1)];

у=e[(z-1)c₀sin-sin(z-1)],

определенными в интервале изменения углового параметра

,

где е - эксцентриситет, z - число ветвей циклоиды, c₀ - безразмерный коэффициент внецентроидности, _z - угловой параметр точки перегиба, в которой кривизна циклоидальной кривой равна нулю [3]:

.

При профилировании рабочих органов гидромашин нашли применение только укороченные циклоидальные кривые (c ₀>1), обеспечивающие плавность контура и отсутствие участков заострения и изломов, что необходимо обеспечить и в случае проектирования профиля скважины.

Рассматриваемый отрезок гипоциклоиды имеет по концам бесконечный радиус кривизны, который монотонно (но нелинейно как у клотоиды) переходит в середине отрезка к минимальному радиусу R, который можно считать условным радиусом кривизны скважины.

Для обеспечения монотонности изменения кривизны отрезка циклоидального профиля (фиг.2) необходимо выполнение следующего условия [3]:

.

Для достижения бесконечного радиуса кривизны на концах отрезка число ветвей циклоиды z должно быть не менее 3.

Эксцентриситет, число ветвей и коэффициент внецентроидности циклоидальной кривой выбираются в зависимости от требуемого изменения параметров профиля скважины (радиуса кривизны R и зенитного угла ).

Расчеты показывают, что возможный диапазон изменения зенитного угла при использовании циклоидальных сопряженных кривых составляет 0,5-50°, что позволяет использовать такие переходные кривые при проектировании заданной или скорректированной траектории ствола скважины с различной интенсивностью искривления (фиг.3).

На базе циклоидальных сопряженных кривых можно также проектировать многоинтервальные профили (фиг.4) без использования типовых участков с постоянным радиусом кривизны.

Таким образом, использование в качестве сопряженной кривой отрезков укороченной эпи- или гипоциклоиды позволяет в общем случае (корректируя геометрию циклоидальной кривой и диапазон изменения ее углового параметра) проектировать различные варианты профилей скважин:

1) с участком набора кривизны, выходящим на заданный зенитный угол (фиг.3);

2) с участком набора кривизны, выходящим на заданный радиус искривления ствола скважины;

3) с двумя прямолинейными участками (1 и 3, 5 и 7 на фиг.4), расположенными под определенным углом;

4) с последовательно расположенными прямолинейными участками, чередующимися с искривленными участками с заданным радиусом кривизны (1-2-3-4-5-6-7, фиг.4);

5) с последовательно расположенными участками сопряженных циклоидальных кривых, причем в точках их соединения радиусы кривизны смежных участков одинаковы.

Список используемых источников

1. Калинин А.Г, Никитин Б.А., Солодкий К.М., Повалихин А.С. Профили направленных скважин и компоновки низа бурильной колонны. М., Недра, 1995.

2. Барский И.Л. О новых подходах к математическому обеспечению проводки наклонно направленных и горизонтальных скважин. Технологии ТЭК, 2005, 3.

3. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели. М., Недра, 1999.

1. Профиль наклонно направленной скважины с непрерывной кривизной, в общем случае состоящий из прямолинейных участков, участков набора кривизны с заданной интенсивностью искривления и участков сопряжения между ними, отличающийся тем, что в качестве сопряженных кривых используются отрезки укороченной эпи- или гипоциклоиды, описываемыми параметрическими уравнениями вида

и определенными в интервале изменения углового параметра

где е - эксцентриситет, z - число ветвей циклоиды, c₀ - безразмерный коэффициент внецентроидности, _z - угловой параметр точки перегиба, в которой кривизна циклоидальной кривой равна нулю

при этом эксцентриситет, число ветвей и коэффициент внецентроидности циклоидальной кривой выбираются в зависимости от требуемого изменения параметров профиля скважины (радиуса кривизны и зенитного угла).