Спосіб обертового буріння похилоскерованих і горизонтальних ділянок свердловин

Реферат: Спосіб обертового буріння похилоскерованих і горизонтальних ділянок свердловини, що включає осьове навантаження на долото, створюване силовим циліндром з поршнем що передає крутний момент. Використовують частину кінетичної енергії обертового руху бурильної колони для одночасної подачі бурильного інструменту до вибою у вигляді направленої дії сил тертя, які виникають при взаємодії гвинтоподібної поверхні ексцентричних контактних елементів, що входять у комплект компоновки низу бурильної колони і такої ж гвинтоподібної поверхні наплавленої твердосплавним релітом на перевідниках, що накручені на стальні бурильні труби, з гірською породою стовбура свердловини при обертовому русі бурильної колони без додаткової затрати енергії ззовні. UA 86535 U (12) UA 86535 U UA 86535 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до механічного буріння, зокрема до обертового буріння і може знайти застосування при бурінні горизонтальних ділянок свердловин різного призначення в гірських породах. Відомий спосіб обертового буріння з використанням вибійного механізму подачі (ВМП) долота у вигляді гідравлічного поршневого механізму, який розташований вище компоновки низу бурильної колони (КНБК) з коротким турбобуром, а подачу бурового інструменту до вибою свердловини здійснюють традиційно, за допомогою обважнених бурильних труб (ОБТ), які розміщені у вертикальній ділянці стовбура свердловини. (Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин. - Μ.: Недра, 2003). При простоті і традиційності такого способу буріння є обмеження його використання для горизонтальної ділянки свердловини по довжині до певних границь. Ця довжина залежить від сил тертя, які виникають на контактах між зовнішньою поверхнею бурового інструменту і гірською породою стовбура свердловини, так як, використання ваги ОБТ є обмежене допустимою напругою при розтягу стальних бурильних труб (СБТ), які розташовані над ОБТ І стійкістю СБТ, які розташовані нижче ОБТ. Відомий спосіб обертового буріння горизонтальної ділянки свердловини колтюбінговими установками довгомірними безмуфтовим трубами (ДБТ) намотаними на барабан, який широко впроваджують за кордоном, де подачу бурового інструменту здійснюють за допомогою інжектора, або як його ще називають, транспортера, що знаходиться на усті свердловини. (II Всероссийская научно-техническая конференция по проблемам колтюбинга в нефтегазовом комплексе России. - Москва, 18-21 июня, 2001 г.) Цей спосіб буріння дає можливість швидко проводити спуско-підйомні операції, наприклад, замінювати відпрацьоване долото, (не потрібно скручувати-розкручувати бурильні труби), що суттєво підвищує рейсову швидкість І в загальному ефективність буріння. Проте, на даний час існуючий спосіб буріння горизонтальних ділянок з використанням колтюбінгової установки має ще ряд недоліків, а саме: неможливість примусового провертання ДБТ, що відповідно, унеможливлює використання їх при роторному бурінні; - самовільне і неконтрольоване скручування ДБТ; - обмежена довжина труб намотаних на барабан; - складність ремонту ДБТ у промислових умовах. Відомий і прийнятий за прототип спосіб створення осьового навантаження на вибій горизонтальної свердловини за допомогою силового циліндра з поршнем при нерухомій бурильній колоні за рахунок сил тертя колони і стінки свердловини, а періодичну подачу бурового інструменту здійснюють імпульсами за допомогою гідроударників. (Патент Російської 5 Федерації № 2006563 від 29.02.1988, МПК Е21В10/00). У цьому способі періодична подача бурового інструменту здійснюється імпульсами за допомогою гідроударників, які створюють великі гідравлічні (енергетичні) втрати промивальної рідини, що призводить до значного падіння тиску у районі за цими гідроударниками і це зменшує ймовірність надійної роботи турбобурів або гідравлічних вибійних двигунів (ГВД) та силового циліндра з поршнем. При обертовому русі бурильної колони кінетична енергія якої призначена для руйнування гірської породи долотом, частина витрачається просто на тертя елементів колони (калібраторів, стабілізаторів, замків СБТ і т.п.) із стінкою свердловини. Втрати цієї енергії різко зростають на похилоскерованих і горизонтальних ділянках свердловини. Технічною задачею корисної моделі є вдосконалення способу обертового буріння похилоскерованих та горизонтальних ділянок свердловини шляхом використання тієї частини кінетичної енергії обертового руху бурильної колони, яка просто витрачається на стирання і нагрівання центраторів, калібраторів та перевідників, для подачі бурильного інструменту до вибою у вигляді одночасної направленої дії сил тертя, які виникають при взаємодії гвинтоподібної поверхні ексцентричних контактних елементів (ЕКЕ), що входять у комплект компоновки низу бурильної колони (КНБК) і такої ж гвинтоподібної поверхні наплавленої твердосплавним релітом на перевідниках, що накручені на СБТ, з гірською породою стовбура свердловини при обертовому русі колони, як бокової так і зовнішньої поверхонь різьби без затрати додаткової енергії ззовні, що дозволяє розширити функціональні можливості способу і підвищити середню рейсову швидкість буріння. Поставлена задача вирішується тим, що у способі буріння одночасно використовують частину кінетичної енергії обертового руху бурильної колони для подачі бурильного інструменту до вибою у вигляді направленої дії сил тертя, що виникають при взаємодії гвинтоподібної поверхні ЕКЕ і такої ж гвинтоподібної поверхні наплавленої твердосплавним релітом на перевідниках, що накручені на СБТ, з гірською породою стовбура свердловини при обертовому 1 UA 86535 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 русі, як бокової так і зовнішньої поверхонь різьби на похилоскерованих і горизонтальних ділянках свердловини. Суттєвими ознаками запропонованого способу обертового буріння похилоскерованих і горизонтальних ділянок свердловини є наявність сукупності одночасних направлених дій для подачі бурильного інструменту до вибою з використанням сил тертя, які виникають при взаємодії гвинтоподібної поверхні ЕКЕ, що входять у комплект КНБК і такої ж гвинтоподібної поверхні наплавленої твердосплавним релітом на перевідниках на СБТ, з гірською породою стовбура свердловини при обертовому русі бурильної колони, як бокової так і зовнішньої поверхонь різьби. Наявність на зовнішній поверхні ЕКЕ і перевідників наплавленої твердосплавним релітом гвинтоподібної поверхні, дає можливість використовувати частину кінетичної енергії обертового руху бурильної колони для подачі бурильного інструменту до вибою, що при гладкій поверхні центраторів, калібраторів та перевідників витрачається тільки для їх стирання І нагрівання, а при гвинтоподібній - використовувати для подачі бурильного інструменту до вибою. Це забезпечує збільшення середньої рейсової швидкості буріння, що в цілому, підвищує ефективність буріння похилоскерованих і горизонтальних ділянок свердловини. Таким чином, суттєві ознаки безпосередньо впливають на технічний результат, тобто перебувають з ним у причинно-наслідковому зв'язку. На фіг.1 показано схему компоновки низу бурильної колони; на фіг.2 -ЕКЕ з основними геометричними розмірами для розрахунків; на фіг.3 - переріз А -А на фіг. 2. КНБК для здійснення запропонованого способу буріння складається з долота 1, трьох ексцентричних контактних елементів 2 із гвинтоподібною поверхнею, які розташовані у проекції на горизонтальну площину через 120°, СБТ 3 із перевідниками, на зовнішній поверхні яких виконана різьба у вигляді наплавлення твердосплавним релітом та стандартних СБТ 4, які перебувають у контакті зі стінкою стовбура свердловини 5. Спосіб здійснюють наступним чином. При обертовому русі бурильної колони створюється сумарна направлена дія сил тертя між гвинтоподібними поверхнями ЕКЕ 2 і перевідниках на СБТ 3 з гірською породою стовбура свердловини 5, які направлені до вибою і вираховується за формулою: F = FE1 + FE2 + FM1i + , де (1) FE1, FM1i - сили тертя, які виникають між боковою поверхнею різьби, відповідно ЕКЕ і перевідника на СБТ з гірською породою стовбура свердловини, Н; FE2, FM2i - сили тертя, які виникають між зовнішньою поверхнею різьби, відповідно ЕКЕ і перевідника СБТ з гірською породою стовбура свердловини, Н. Сила тертя, яка виникає між боковою поверхнею різьб ЕКЕ або перевідника на СБТ з гірською породою і направлена до вибою, вираховується за формулою: pd2 t 2 z (2) F1F1i   k km , н t де kkm - коефіцієнт контакту гвинтоподібної поверхні ЕКЕ або перевідника з стовбуром свердловини, залежить від типу розбурюваних порід (kkm - 0,17  0,33); p - значення середнього питомого тиску на робочих поверхнях гвинтової пари, залежить від міцності гірських порід (р = 50  260 МПа); d2 - середній діаметр ЕКЕ або перевідника, який контактує з гірською породою, м; t2 - робоча висота контакту витка різьбової поверхні ЕКЕ або перевідника з гірською породою, м; z - число заходів різьби на ЕКЕ або перевідника;  - довжина різьбової частини ЕКЕ або перевідника, м; н - коефіцієнт навантаження, залежить від умови прилягання витківгвинтової поверхні (н =1,1  3,0); t - крок різьби на ексцентричній поверхні контактного елемента або перевідника, м. Сила тертя, яка виникає між зовнішньою поверхнею різьби ЕКЕ або замка СБТ з гірською породою і направлена до вибою, вираховується за формулою: FE2(FM2i)= fd (G + p0Sk)/tg, (3) де fd - дійсний коефіцієнт тертя (0,28  0,40); G - сила притискання ЕКЕ або замка до ствола свердловини, Н; P0 - додатковий тиск, викликаний силами молекулярного притягання, Па; 2 Sk - загальна площа безпосереднього контакту між тілами, м ; β - кут між вектором сили тертя та його складовою, направленою вздовж осі свердловини. 2 UA 86535 U 5 10 Винахід ілюструється прикладом розрахунку сумарної сили тертя, направленої до вибою для подачі бурильного інструменту з долотом діаметром 190,5 мм, СБТ діаметром 114,3 мм на довжині 500 м горизонтальної ділянки свердловини. Використовуючи формули 1, 2, 3 і підставляючи мінімальні та максимальні значення величин отримуємо: FE1min = 8,3 кН ( 0,85 тс); FM1imin = 3,93 кН ( 0,4 тс); FE1max = 116,7 кН ( 11,9 тс); FM1imax = 55,3 кН ( 5,65 тс); FE2min = 33,7 кН ( 3,4 тс); FM2imin = 19,2 кН ( 1,95 тс); FE2max = 48,2 κΗ ( 4,9 тс); FM2imax = 27,4 кН ( 2,79 тс). Якщо на довжині 500 м горизонтальної ділянки свердловини буде використано 10 перевідників з наплавленою різьбовою поверхнею, то сумарна дія сил тертя буде рівна: Fmin = 241,6 кН( 24,65 тс); Fmax = 868,3 кН ( 88,6 тс); ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 Спосіб обертового буріння похилоскерованих і горизонтальних ділянок свердловини, що включає осьове навантаження на долото, створюване силовим циліндром з поршнем, що передає крутний момент, який відрізняється тим, що у способі буріння використовують частину кінетичної енергії обертового руху бурильної колони для одночасної подачі бурильного інструменту до вибою у вигляді направленої дії сил тертя, які виникають при взаємодії гвинтоподібної поверхні ексцентричних контактних елементів, що входять у комплект компоновки низу бурильної колони і такої ж гвинтоподібної поверхні наплавленої твердосплавним релітом на перевідниках, що накручені на стальні бурильні труби, з гірською породою стовбура свердловини при обертовому русі бурильної колони без додаткової затрати енергії ззовні. 3 UA 86535 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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