Способ искривления скважины шарнирным отклонителем

 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано, в частности, при бурении наклонно направленных скважин в анизотропных и изотропных породах забойными двигателями или ротором. Цель изобретения - повышение точности проводки скважины за счет искривления ее с постоянной интенсивностью. Способ искривления скважины шарнирным отклонителем предусматривает изменение зенитного угла скважины, пробуренной в заданном азимуте искривления. В процессе бурения направляющую штангу отклонителя поддерживают в положении, при котором она опирается своей средней частью о верхнюю или нижнюю стенку скважины путем установления режима осевой нагрузки, соответствующего расчетному значению интенсивности искривления. Значение осевой нагрузки не меньше максимального обеспечивает опору средней части направляющей штанги о верхнюю стенку скважины. Значение осевой нагрузки не больше минимального обеспечивает опору о нижнюю стенку скважины. Величина интенсивности искривления скважины данным отклонителем определяется из условия вписываемости в ствол направляющей штанги.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ WHT СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (51)5 Е 21 В 7/08! „; яою

ГЬ . .. !I!! !

Ь Ь:.! !

1 (21) 3812668/24-63 (22) 31.08.84 (46) 07.09.90. Бюл. М 33 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт буровой техники (72) В.Д, Поташников и Ю.С. Васильев (53) 622.243.2(088.8) (56) Бронзов А.С. и др. Турбинное бурение наклонных скважин. — М,: Недра, 1965, с. 140-141. (54) СПОСОБ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИНБ! ШАРНИРНЫМ ОТКЛОНИТЕЛЕМ (57) Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано, в частности, при бурении наклонно направленных скважин в анизотропных и изотропных породах забойными двигателями или ротором. Цель изобретения повышение точности проводки скважины за счет искривления ее с постоянной

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно направленных скважин в анизотропных и изотропных породах при помощи забойных двигателей:или ротора.

Целью изобретения является повышение точности проводки скважины за счет искривления ее с постоянной интенсивностью.

Способ осуществляют следующим образом.

В первом варианте при реализации способа искривления скважин шарнир2 интенсивностью. Способ искривления скважины шарнирным отклонителем предусматривает изменение зенитного угла скважины, пробуренной в заданном аэи» муте искривления. В процессе бурения направляющую штангу отклонителя под-„, держивают в положении, при котором она опирается своей средней частью о верхнюю или нижнюю стенку скважины путем установления режима осевой нагрузки, соответствующего расчетному значению интенсивности искривления.

Значение осевой нагрузки не меньше максимального обеспечивает опору средней части -направляющей штанги о верхнюю стенку скважины. Значение осе- вой нагрузки не больше минимального Е обеспечивает опору о нижнюю стенку скважины. Величина интенсивности искривления скважины данным отклоните- С лем определяется из условия вписываемости в ствол направляь.щей штанги. ным отклонителем, заключающегося в изменении зенитного угла скважины, предварительна забуренной в заданном азимуте искривления, в процессе бурения направляющую штангу отклонителя поддерживают в положении, при котором ана своей среднеи частью опирается в верхнюю стенку скважины, путем установления режима осевой нагрузки, соответствующего расчетному значению интенсивности искривления, которое не меньше максимальной величины интенсивности искривления скважины данным отклонителем, определяем и из условия 1590536 ь вписываемости его в ствол последней прн указанном положении направляющей штанги, Во втором варианте в процессе бурения направляющую штангу отклонитепя

5 поддерживают в положении, при котором она своей средней частью опирается о нижнюю стенку скважины, путем установления режима осевой нагрузки, соот- д ветствующего расчетному значению интенсивности искривления, которое не больше минималь1ой величины интенсивности искривления скважины данным отклонителем, онределяемой из условия вписываемости его в ствол последней при указанном положении направляющей штанги.

Таким образом, искривление скважин осуществляется-с постоянной ин- О тенсивностью принципиально одним и тем же путем — поддерживанием в процессе бурения направляющей штанги отклоыителя в положении, при котором его движение определяется условием ?5 вписываемости в ствол скважины, при помощи установления режима осевой нагрузки, обеспечивающего указанное положение направляющей штанги.

Особенностью работы компоновки ни- ц за бурильной колонны (КНБК) с шарнирным отклонителем является то, что благодаря наличию шарнира огибающий момент от бурильной колонны не передается на направляющую штангу отклонителя и в КНБК не возникает момента

35 сопротивления упругих сил, препятствующих повороту направляющей штанги в плоскости искривления. Следовательно, последняя занимает устойчивое положе- 40 ние в стволе скважины, когда опирается одновременно двумя точками о ее стенки. В месте шарнирного соединения отклонитель всегда опирается о нижнюю стенку скважины, что обусловлено кали-45 чием силы тяжести и угла наклона скважины. Направляющая штанга своей средней частью может опираться как о верхнюю ..c åíêó скважины, так и о нижнюю.

Это зависит от направления вектора результирующего опрокидывающего момента, действующего на направляющую штангу

Поскольку направляющая штанга имеет два положения в Стволе скважины, при которых ее движение обусловлива55 ется условиями вписываемости, то суще- . ствует два варианта способа искривления скважин шарнирным отклонителем, каждый из которых обеспечивает искривление с постояннои, хотя и разной по значению интенсивностью.

При движении отклонителя, определяемом условиями вписываемости, две точки направляющей штанги повторяют траекторию участка ствола, к стенкам которого они прижаты. Так как долото жестко связано с указанными точками, то его движение однозначно определяется движением укаэанных точек направляющей штанги, а следовательно, трассой скважины в призабойном интервале.

Для каждого типа шарнирного отклонителя существует два значения предельной интенсивности искривления скважины, которые определяются гeo-. метрическими параметрами отклонителя, диаметром долота и скважины. Существует функциональная взаимосвязь между интенсивностью искривления скважины, определяемой как интенсивность поворота в плоскости искривления направ-. ляющей штанги, и горно-геологическими и техническими условиями бурения скважчны в данном интервале. Расчетное значение интенсивности искривления характеризует потенциальные возможности работы отклонителя при заданных параметрах, определяющих интенсивность;искривления скважины. Расчетное значение интенсивности искривления может оказаться бсльше максимального или меньше минимального значения, определяемых из условия вписываемости. В первом случае физически это означает, что направляющая IIITBH

ra своей средней частью прижата к верхней стенке скважины, а во втором к нижней, так как сила реакции стенки ограничивает поворот направляющей штанги в плоскости искривления и дальнеишее искривление скважины ограничивается предельным значением, определяемым из условия вписываемости отклонителя .в ствол скважины.

Поскольку расчетное значение интенсивности искривления является функцией осевой нагрузки, то установлением режима последней однозначно определяется величина расчетной ин1 тенсивности искривления.

Таким образом, установив при бурении скважины режим осевой нагрузки, соответствующий расчетному значению интенсивности искривления, которое превышает ее максимальное значение, 5 159053 определяемое из условия вписываемости шарнирного отклонителя в ствол скважины, обеспечивается опора средней части направляющей штанги о верхнюю стенку последней и, следовательно, \ искривление скважины с постоянной инФеъ сивностью, равной максимальной (по условию BIIHcblBBeMocTH) величине.

А при режиме осевой нагрузки, соответствующем расчетному значению интенсивности, которое меньше минимального, определенного из условия вписываемости, средняя часть направляющей штанги опирается о нижнюю стенку сква- 15 жины, искривление последней происходит с постоянной интенсивностью, равной минимальной (по условию вписываемости).величине.

II р и м::e р. Геолого-технические 20 условия бурения характеризуются следующими параметрами: прочность разбуриваемых пород С „ = 0,5 кН/мм ; угол падения пластов разбуриваемых пород

9о= 20 ; индекс анизотропии пород 25 ,а.

h = О, 1; начальный зенитный угол скважины (p = 5 ; конечный зенитный" угол скважины („= 90 ; заданная интенсиво. ность искривления. скважины

2 — — = 3 5 10 - начальная интенград . 1 30

10 м м сивность искривления скважины io = 0;

4 диаметр долота D = 0,2169 м; диаметр скважины 0 = 0,218 и; диаметр турбобура D = 0,195 м; диаметр опорноцентрирующего элемента, устанавливаемого на направляющей штанге D =

= О, 210 м; диаметр направляющей штанги

d - =0,178 м; диаметр центратора, устанавливаемого непосредственно над шар- 4О нирной муфтой, при роторном бурении

Утц = 0,214 м; отношение длины L направляющей штанги к расстоянию 1 от .ниппеля турбобура до опорно-центрирующего элемента К = 0,7; площадь кон- 45 такта вооружения долота с забоем

2 сквалыжны S, = 100 мм.; диаметр сферы пяты шарнирной муфты 13 „; = 0,065 м коэффициент трения н шарнирной муфте

К = 0,15; вес направляющей штанги в буровом растворе, отнесенный к ее длине, q = 1,4 кН/м.

2Dc-Du D П вЂ” Dr

) и Х, (1) а в 1(ь ) L(L 1) Минимальное значение интенсивностл искривления указанным типом отклонителя имеет место при опоре опорноцентрирующего элемента о нижнюю стенку скважины и определяется по формуле

D -Вт D Dr.Г 7 = - — - - — — — — ° о н 1(ь 1) 1(I. д) ° (2) Для шарнирного отклонителя без опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге аналогичные формулы имеют вид ц « :4 + 20 D.„:d) (з>, б:a+ о,Л ) ° (4) Подставляя в формулы (1) и (2)

1 = KL получают

2D с-1).ц-Рт- D D т

Г а в УК (1 K) I (1 К} ь= DT

1 о н L7K (1-y} Ь (1-K)

Расчетное значение интенсивности искривления скважины шарнирным отклонителем определяется по формуле

3(D-Вт}

-ái + — — — -+

L б(ЬС TI S з1п2(9о-Я)-оьs1п Р3

Ь (G- Ь«s<}

16 Dbnp 8к зьт(с- ь„,8,) 6 СКт Рш

Т ь (с-.б„рs„) (7) 6 6

Максимальное значение интенсивности искривления. шарнирным отклонителем с опорно-центрирующим элементом на . направляющей штанге имеет место при опоре последнего о верхнюю стенку скважины и определяется по формуле

11араметры шарнирны:с отклонителей и значения интенсивности искривления 55 скважин, определенные из условий впи-. сываемости их в ствол последней, находятся в функциональной взаимосвязи, определяемой следующими зависимостями.

1 р >g L> jb, (8) Первый вариант способа осуществля.ется для отклонителя с опорно-центрирующим элементом при выполнении условия

0536 8 с заданной интенсивностью искривления при G «-100 ..кН равен 11

Аналогичный расчет для отклонителя с L = 6,8 м показывает, что максимальный угол, который можно набрать им при осевой нагрузке 100 кН, искривляя скважину при этом с интенсивностью

= 3,5 ° 10 -, равен 13 . з1

Э м

Второй вариант способа осуществляется для отклонителя с опорно-центрирующим элементом на направляющей штанге при выполнении условия

15 р - п н (12) D -DT

1 К (1 К) i (1 К) 4 7(),0 (10) а для отклонителя без опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге и с центратором, установленным над шарнирной муфтой, имеют

ip я (13) D — d

1. = — — — +

2= 1

= 6,8 (и). (11) 30

После подстановки в условие (8) значений L = L,= 4,7 м, = q; — 5, = 0 и других параметров, характеризующих условия бурения и указанных, получают выражение для определения режима осевой нагрузки G удовлетворяющего условию (8), т.е. обеспечивающего прижатие средней части направляющей штанги к верхней стенке скважи- 40 ны и искривление последней с заданной интенсивностью i . Расчетом получено, что при бурении начального интервала отклонителем без опорно-центрирующего элемента осевая нагрузка не должна

< превьппать 510 кН, а для 1.=?. =6,8 м

G 349 кН.

Пусть в данных условиях режим осевой нагрузки, обеспечивающий оптимальные технико-экономические показатели 50 бурения, составляет 100 кН.

Подставляя в условие (8) G =100 кН, -2,4 (м) . (14) = 4,7 м, i =: i = 3,5 ""10 —, опреде-3 1 . (55 ляют значение угла, при котором это условие выполняется. Расчеты показывают, что максимальный угол, который можно набрать данным отклонителем для отклонителя без опорно-центрирующего элемента при выполнении условия

t. За. (9)

Для определения режима осевой нагрузки, обеспечиванпцего выполнение условий (8) и (9) при различных текущих значениях зенитного угла, необходимо определить значения, параметра входящего в формулу (7). Этот параметр определяется из формул (3) и (5), в которые вместо (i 3 и (i)e следует подставить i После несложных преобразований и подстановок для отклонителя с опорно-центрирующим . элементом на направляющей штанге получают для отключения без опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге при выполнении условия

Для определения режима осевой нагрузки, обеспечивающего выполнение условий (1 2) и (1 3) при ра злич ных т е" кущих значениях зенитного угла, необходимо определить значения параметра по формулам (6) и .(4), в которые вместо (1 3 и t. i ) н следует подставить

После несложных преобразований формулы (6) получают выражение для определения длины L направляющей штанги, на которой установлен опорно-центрирующий элемент диаметром D =

= 0,214 м:

Для отклонителя без опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге и с центратором, установленным на шарнирной муфтой, из формулы (4) имеют

D-d П ч-dL÷ +

1g 4

Следует отметить, что отклонитель всегда искривляет скважину в направлении стенки, в которой прижата сред" няя часть его направляющей штанги.

При реализации второго варианта способа при использовании отклонителя без опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге производится уменьшение зенитного угла скважины с постоянной интенсивностью, сияности искривления, которое не меньше максимальной B первом случае и не больше минимальной во втором случае величины интенсивности искривления скважины данным отклонителем, опреде-. ляемой иэ условия вписываемости в ствол скважины направляющей штанги последнего.

9 159053

Определение режима осевой нагрузки для различных значений угла у при использовании шарнирного отклонителя с опорно-центрирующим элементом на направляющей штанге, длина которой равна

2,4 м, производят из условия (12).

Так при y = 13 и i := i > 3,5

-3 1 к10 -. В результате расчетов по фор10 муле (12) с использованием выражения (7) получают область допустимых значений режимов осевой нагрузки, при которой осуществляется набор зенитного угла с заданной интенсивностью, эта область определяется неравенством

С < 110 кН. Проверочные расчеты для других текущих значений q показывают, что область допустимых нагрузок с увеличением угла (p расширяется и 20 при (- 90 имеет G cñ 1000 кН.

Таким образом, данную скважину следует бурить при осевой нагрузке

G " 100 кН во всем интервале набора зенитного угла, причем в интервале 25 от Ч"= 5 до (p= 13 необходимо использовать шарнирный отклонитель без опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге и длине последней, равной 6,8 м, а в интервале набора зе- 30 нитного угла от у = 13 до ср= 90 применять шарнирный отклонитель с ., опорно-центрирующим элементом (Л

Ц

= 214 мм) на направляющей штанге, длина которой должна быть равна 2,4 м.

Реализация способа позволяет ис—

35 кривлять скважину в аниэотропных породах с постоянной интенсивностью при оптимальной нагрузке во всем интервале бурения.

Для уменьшения зенитного угла с о величины„ например, от 90 до 20 при э1

=.+3 5 10 — следует применить отклоо китель беэ опорно-центрирующего эле45 мента на направляющей штанге с длиной последней 6,5 м. Выполнение условия (13) в сочетании с укаэанной длиной направляющей штанги позволяет уменьшить зенитный угол с заданной интенЭ1 сивностью 3,5 10 — и при осевой наги

6 l0 рузке, которая определяется из выражения (13) с подстановкой в него формулы (7) и исходных параметров, характеризующих условия бурения. Расчетным путем по предлагаемой методике получено значение области допустимых осевых нагрузок (в диапазоне уменьшения угла y) G < 326 кН. Следовательно, уменьшение зенитного угла при испальзованли. предлагаемого способа можно производить с постоянной расчетной интенсивностью.

Технические преимущества способа по сравнению с известным состоят в том, что он позволяет искривлять скважины с заданной постоянной интенсивностью при оптимальной по механической скорости осевой нагрузке во всем диапазоне бурения скважины. Кроме того, преимущества способа заключаются в повьппении точности проводки скважины, что позволяет получить существенный эффект при вскрытии маломощных продуктивных пластов залежей нефти и газа.

Формула изобретения

Способ искривления скважины шарнир- ным отклонителем, заключающийся в изменении защитного угла скважины, предварительно забуренной в заданном азимуте искривления„ о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повьппения точности проводки скважины за счет искривления ее с постоянной интенсивностью, в процессе бурения направляющую штангу отклонителя поддерживают в положении, при котором она опирается своей средней частью о верхнюю или

I нижнюю стенку скважины путем установ ления режима осевой нагрузки, соответствующего расчетному значению интен