Спосіб буріння вертикальної свердловини великого діаметра

Реферат: Спосіб буріння вертикальної свердловини великого діаметра. При підготовці до буріння колони бурильних труб на її нижньому торці додатково встановлюють центральне долото, вісь якого співвісна поздовжній осі колони, а долото забійного двигуна закріплюють на шпиндельному валу так, щоб його вісь була розташована під кутом до осі шпиндельного вала забійного двигуна. Буріння свердловини здійснюють із руйнуванням центральної частини вибою свердловини обертанням центрального долота навколо поздовжньої осі колони і формуванням свердловини до кінцевого діаметра шляхом розширення центральної частини вибою свердловини додатковим обертанням долота забійного двигуна навколо осі, розташованої під кутом до осі шпиндельного вала забійного двигуна, з можливістю описування долотом конічної поверхні навколо осі шпиндельного вала. UA 101283 C2 (12) UA 101283 C2 UA 101283 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі буріння свердловин, а саме до способів обертального буріння вертикальних свердловин великого діаметра, й може бути використаний при бурінні нафтових, газових, дегазаційних і водозабірних свердловин. Відомий спосіб буріння похилоспрямованих свердловин (RU 2114273 С1, Е21В 7/04, публ. 27.06.1998 p.), що включає послідовне буріння прямих і похилих ділянок шляхом відносного обертання колони бурильних труб і/або шпиндельного вала забійного двигуна з буровим долотом, при цьому буріння прямих ділянок здійснюють обертанням шпиндельного вала при застопореній колоні бурильних труб і корпусі забійного двигуна, а буріння похилих ділянок здійснюють при одночасному обертанні колони бурильних труб і шпиндельного вала, причому колону бурильних труб обертають в одному напрямку з обертанням шпиндельного вала й з частотою, рівною частоті обертання шпиндельного вала. Відомий спосіб призначений для буріння свердловини з відхиленням її осі від вертикального напрямку проходки на заздалегідь відомій глибині, що дозволяє плавно відхиляти вісь свердловини при переході із прямої ділянки на похилу, причому діаметр свердловини на прямій і похилій ділянках свердловини залишається однаковим. Однак використання відомого способу для буріння вертикальних ділянок свердловини без зміни діаметра при переході на похилу ділянку не є можливим, оскільки долото при передачі йому осьового навантаження від колони бурильних труб буде описувати конічну поверхню й здійснювати непрогнозовані коливання залежно від твердості порід, а виходить, що вісь свердловини завжди буде відхилятися від вертикалі у бік більш м'яких порід. Це пояснюється тим, що нижній кінець шпиндельного вала забійного двигуна при передачі йому осьового навантаження від колони бурильних труб буде перекошуватися й зміщатися разом з долотом у довільну сторону від поздовжньої осі корпуса, що приводить до відхилення осі свердловини від вертикалі, причому долото буде відхиляти вісь свердловини від вертикалі у бік більш м'яких порід незалежно від обертання колони бурильних труб. Найбільш близьким аналогом заявленого винаходу є спосіб буріння свердловин, що відхиляються від вертикального напрямку проходки (US 4577701, Е21В 7/04, публ. 25.03.1986 p.), що включає підготовку до буріння колони бурильних труб шляхом установки на ній оснащеного долотом забійного двигуна, вісь шпиндельного вала якого відхилена від поздовжньої осі колони на заданий кут, буріння вертикальних ділянок свердловини за загальноприйнятою технологією і буріння ділянок, що відхиляються від вертикального напрямку проходки обертанням шпиндельного вала забійного двигуна, прикріпленого до колони бурильних труб на вигнутому по поздовжній осі перехіднику, так, що поздовжня вісь двигуна утворює заздалегідь заданий кут з поздовжньою віссю колони, причому вертикальну ділянку свердловини бурять за допомогою бурового двигуна незалежно від обертання колони бурильних труб, а напрямок буріння свердловини від вертикальної ділянки в похилу змінюють при обертанні бурової колони й застопореному двигуні. Відомий спосіб не забезпечує досягнення необхідного технічного результату з таких причин. Спосіб не дозволяє бурити вертикальні свердловини, оскільки при необертовій колоні бурильних труб вісь долота не збігається з віссю свердловини, тому забійний двигун з долотом у процесі буріння постійно відхиляються від вертикалі у бік вигину вигнутого перехідника, тобто свердловина буриться похилою. При здійсненні обертання колони забійний двигун з долотом обертається навколо осі свердловини, незначно збільшуючи її діаметр, що не дозволяє бурити свердловину одним діаметром. При цьому руйнування породи здійснюється не по всьому периметру вибою, а тільки по периферійній його частині в основному бічній, не основною частиною зубів шарошок долота. Це приводить до швидкого їхнього зношування й зниження механічної швидкості буріння, тому що на периферійні зуби необхідно передавати тільки частину осьового навантаження. Таке буріння приводить до зниження механічної швидкості буріння, а значить до збільшення строків спорудження свердловини й збільшення матеріальних і енергетичних витрат. Використання відомого способу для буріння вертикальних свердловин при одночасному обертанні навколо осі свердловини колони бурильних труб, забійного двигуна з долотом і вигнутого перехідника, кут установки якого приймається більше 1,5°, діаметр свердловини може стати більше діаметра долота й у вигнутому перехіднику зникне тверда опора, оскільки він не буде опиратися на лежачу стінку свердловини. Це приводить до того, що при бурінні у твердих породах, де потрібне значне осьове навантаження, буріння вертикальної свердловини стає неможливим через різкий перекіс колони бурильних труб у місці її з'єднання із забійним двигуном і відсутності твердої опори вигнутого перехідника на вибій або стінці свердловини, що приводить до перерозподілу осьового навантаження з вертикального напрямку убік вигнутого 1 UA 101283 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 перехідника, а це у свою чергу приводить до поломки колони в місці її з'єднання з вигнутим перехідником, тобто до припинення буріння. Відомий спосіб буріння має обмежені можливості по збільшенню діаметра свердловини при одночасному обертанні колони бурильних труб, вигнутого перехідника й забійного двигуна з долотом навколо осі свердловини, тому що вигнутий перехідник має обмежений кут установки, що дозволяє збільшити діаметр свердловини не більше ніж на 40-60 % від діаметра використовуваного долота. При збільшенні кута установки перехідника вище прийнятих значень для буріння свердловин діаметром більше 60 % від діаметра використовуваного долота, буріння вертикальних свердловин стає неможливим у будь-яких по твердості породах, оскільки в центрі свердловини залишається незруйнована долотом порода, що перешкоджає просуванню вигнутого перехідника долілиць. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу буріння вертикальної свердловини великого діаметра, у якому за рахунок технологічних особливостей забезпечується можливість руйнування вибою свердловини по всьому його периметрі основною частиною зубів шарошок долота зі значним збільшенням діаметра свердловини, створюючи значні осьові зусилля для підвищення механічної швидкості буріння в породах будь-якої міцності без поломки колони бурильних труб, що приводить до зменшення строків спорудження свердловини й зниження матеріальних і енергетичних витрат. Поставлена задача вирішується тим, що в способі буріння вертикальної свердловини великого діаметра, що включає підготовку до буріння колони бурильних труб шляхом установки на ній оснащеного долотом забійного двигуна, вісь шпиндельного вала якого відхилена від поздовжньої осі колони на заданий кут, і буріння свердловини обертанням долота навколо поздовжньої осі колони й навколо осі шпиндельного вала забійного двигуна, згідно з винаходом, при підготовці до буріння колони бурильних труб на її нижньому торці додатково встановлюють центральне долото, вісь якого співвісна поздовжній осі колони, а долото забійного двигуна закріплюють на шпиндельному валу так, щоб його вісь була розташована під кутом до осі шпиндельного вала забійного двигуна, буріння свердловини здійснюють із руйнуванням центральної частини вибою свердловини обертанням центрального долота навколо поздовжньої осі колони і формуванням свердловини до кінцевого діаметра шляхом розширення центральної частини вибою свердловини додатковим обертанням долота забійного двигуна навколо осі, розташованої під кутом до осі шпиндельного вала забійного двигуна, з можливістю описування долотом конічної поверхні навколо осі шпиндельного вала, причому шпиндельний вал забійного двигуна й долото забійного двигуна встановлюють щодо осі колони під кутом, обумовленим наступною залежністю: Дсв cos   2l1  l2  , де Дсв - діаметр свердловини, l1 - відстань від місця установки забійного двигуна на колоні до місця кріплення долота до шпиндельного вала забійного двигуна; l2 - відстань від місця кріплення долота до шпиндельного вала забійного двигуна до вибою свердловини в горизонтальній площині. Суть пропонованого способу пояснюється кресленням, на якому показана схема розміщення забійного двигуна при бурінні вертикальної свердловини великого діаметра. На кресленні показані: колона 1 бурильних труб; свердловина 2; місце 3 установки забійного двигуна 4 на колоні 1 бурильних труб; місце 5 кріплення долота 6 до шпиндельного вала 7 забійного двигуна 4; центральне долото 8; вибій 9 свердловини 2. Спосіб буріння здійснюють таким чином. При підготовці до буріння колони 1 бурильних труб задають необхідний діаметр вертикальної свердловини 2. На шпиндельному валу 7 забійного двигуна 4 закріплюють долото 6 так, щоб його вісь була розташована під кутом 1 до осі шпиндельного вала, а відстань від місця 5 кріплення долота 6 до шпиндельного вала 7 забійного двигуна до поверхні торця долота 6 була рівною l2, тобто відстані від місця кріплення долота до шпиндельного вала забійного двигуна до вибою свердловини в горизонтальній площині. Після чого забійний двигун 4 із закріпленим на його шпиндельному валу долотом 6 установлюють на колоні 1 так, щоб вісь його шпиндельного вала була встановлена щодо поздовжньої осі колони 1 під кутом  2 , при цьому місце 3 установки забійного двигуна на колоні повинне перебувати від місця 5 кріплення долота 6 до шпиндельного вала забійного двигуна на відстані l1. 2 UA 101283 C2 Кути 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 і 2 приймають рівними й визначають із пропонованої залежності: Дсв cos   cos 1  cos 2  2l1  l2  , де Дсв - діаметр свердловини, l1 - відстань від місця установки кріплення забійного двигуна до колони до місця кріплення долота до шпиндельного вала забійного двигуна; l 2 - відстань від місця кріплення долота до шпиндельного вала забійного двигуна до вибою свердловини в горизонтальній площині. Потім на нижньому торці колони 1 бурильних труб установлюють центральне долото 8, вісь якого співвісна поздовжньої осі колони 1. Підготовлену до буріння колону 1 бурильних труб опускають у свердловину 2, після чого виконують буріння свердловини. Для цього в колону 1 бурильних труб під тиском подають буровий розчин для створення циркуляції в свердловині 2 з метою її очищення від вибуреної породи й для обертання забійного двигуна 4 зі шпиндельним валом 7 і долота 6 забійного двигуна 4 з одночасним обертанням колони 1 бурильних труб. Обертання від колони 1 бурильних труб передається на забійний двигун 4 і долото 8 від шпиндельного вала 7, які здійснюють обертання навколо поздовжньої осі колони. Обертанням центрального долота 8 навколо поздовжньої осі колони 1 здійснюють руйнування центральної частини вибою 9 свердловини 2. Формування свердловини до кінцевого діаметра здійснюється шляхом розширення центральної частини вибою 9 свердловини 2 додатковим обертанням долота 6 навколо осі, розташованої під кутом до осі шпиндельного вала 7. Долото 6 приводять в обертання шпиндельним валом 7 забійного двигуна 4, що у свою чергу одержує обертання від дії швидкісного напору бурового розчину, що подається від наземного насоса високого тиску. При цьому долото 6 описує конічну поверхню навколо осі шпиндельного вала 7. Причому долото 6 у процесі буріння здійснює складний рух: навколо осі шпиндельного вала 7, руйнуючи породу по конічній поверхні в стінці свердловини й одночасно, разом із забійним двигуном навколо осі свердловини 2, руйнуючи породу по кільцевій поверхні вибою свердловини, не зруйнованої центральним долотом 8. Установка долота 6 під кутом до осі шпиндельного вала забійного двигуна 4 забезпечує руйнування породи всією площиною зубів шарошок долота 6, а не тільки периферійною їхньою частиною, що дозволяє передавати на долото значне осьове навантаження й у такий спосіб збільшувати механічну швидкість буріння. Це приводить до більш швидкого закінчення буріння свердловини, а значить до зменшення матеріальних і енергетичних витрат. Установка забійного двигуна під кутом, обумовленим по пропонованій залежності, з одночасним його обертанням навколо поздовжньої осі колони бурильних труб дозволяє формувати свердловину діаметром, в 3 рази перевищуючим діаметр центрального долота, що розширює область застосування пропонованого способу буріння. Установка центрального долота 8 на нижньому торці бурової колони, крім руйнування породи в центральній частині вибою свердловини, дозволяє створювати значні осьові зусилля на долота 6 і 8 для підвищення механічної швидкості буріння в породах будь-якої міцності, оскільки центральне долото 8 є опорою колони бурильних труб на вибій свердловини. При цьому долото 8 сприймає основну частину осьового навантаження, виключаючи поломку колони в місці установки на ній забійного двигуна при значному куті відхилення забійного двигуна від поздовжньої осі колони. Таким чином використання пропонованого способу буріння вертикальної свердловини великого діаметра забезпечує можливість руйнування вибою свердловини по всьому його периметру основною частиною зубів шарошок долота зі значним збільшенням діаметра свердловини, створюючи значні осьові зусилля для підвищення механічної швидкості буріння в породах будь-якої міцності без поломки колони бурильних труб, що приводить до зменшення строків спорудження свердловини й зниження матеріальних і енергетичних витрат. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 Спосіб буріння вертикальної свердловини великого діаметра, що включає підготовку до буріння колони бурильних труб шляхом установки на ній оснащеного долотом забійного двигуна, вісь шпиндельного вала якого відхилена від поздовжньої осі колони на заданий кут, і буріння свердловини обертанням долота навколо поздовжньої осі колони й навколо осі шпиндельного вала забійного двигуна, який відрізняється тим, що при підготовці до буріння колони 3 UA 101283 C2 5 10 15 бурильних труб на її нижньому торці додатково встановлюють центральне долото, вісь якого співвісна поздовжній осі колони, а долото забійного двигуна закріплюють на шпиндельному валу так, щоб його вісь була розташована під кутом до осі шпиндельного вала забійного двигуна, буріння свердловини здійснюють із руйнуванням центральної частини вибою свердловини обертанням центрального долота навколо поздовжньої осі колони і формуванням свердловини до кінцевого діаметра шляхом розширення центральної частини вибою свердловини додатковим обертанням долота забійного двигуна навколо осі, розташованої під кутом до осі шпиндельного вала забійного двигуна, з можливістю описування долотом конічної поверхні навколо осі шпиндельного вала, причому шпиндельний вал забійного двигуна й долото забійного двигуна встановлюють щодо осі колони під кутом, обумовленим наступною залежністю: Д св , cos   2l1  l2  де Д св - діаметр свердловини, l1 - відстань від місця установки забійного двигуна на колоні до місця кріплення долота до шпиндельного вала забійного двигуна; l2 - відстань від місця кріплення долота до шпиндельного вала забійного двигуна до вибою свердловини в горизонтальній площині. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4