ступенчатая компоновка для направленного бурения скважин

Формула изобретения

Ступенчатая компоновка для направленного бурения скважин, содержащая направляющую штангу с долотом, расширитель, соединенный с верхним концом направляющей штанги, и опорно-центрирующий элемент, отношение расстояний от которого до рабочего торца долота и рабочего торца расширителя равно отношению опорных площадей указанных торцов расширителя и долота, отличающаяся тем, что вооружение последних однотипно, а диаметры расширителя и долота выбраны из соотношения

2 (D_р/ D_д) 1,36,

где D_р диаметр расширителя, м;

D_d диаметр долота, м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для бурения вертикальных скважин в наклонно залегающих анизотропных породах.

Известна ступенчатая компоновка, содержащая направляющую штангу с долотом и опорно-центрирующим элементом и расширитель, соединенный с верхним концом направляющей штанги [1]

Однако, данная компоновка не всегда обеспечивает стабилизацию направления бурения скважины в анизотропных наклонно залегающих породах, поскольку возможны ситуации, когда действующий на компоновку опрокидывающий момент будет не уравновешен, т.к. место расположения опорно-центрирующего элемента на направляющей штанге не определено.

Наиболее близкой к предложенной является ступенчатая компоновка, содержащая направляющую штангу с долотом, расширитель, соединенный с верхним концом направляющей штанги, опорно-центрирующий элемент, отношение расстояний от которого до рабочего торца долота и рабочего торца расширителя равно отношению опорных площадей указанных торцов расширителя и долота [2]

Недостатком данной компоновки является то, что в процессе бурения образуется неустойчивая кольцевая полка, которая частично разрушается, что существенно сказывается на величине опорной поверхности расширителя, в результате чего на долоте возникает неуравновешенная отклоняющая сила, которая не позволяет обеспечить проводку вертикальной скважины в анизотропных наклонно залегающих породах.

Цель изобретения обеспечение стабилизации направления бурения вертикальных скважин в анизотропных наклонно залегающих породах.

Для этого, в ступенчатой компоновке, содержащей направляющую штангу с долотом, расширитель, соединенный с верхним концом направляющей штанги, и опорно-центрирующий элемент, отношение расстояний от которого до рабочего торца долота и рабочего торца расширителя равно отношению опорных площадей указанных торцов расширителя и долота, вооружение последних однотипно, а диаметры расширителя и долота выбраны из соотношения:



где D_р диаметр расширителя, м;

D_d диаметр долота, м.

Для вывода данного соотношения использовались следующие основные условия стабильный контакт вооружения расширителя и долота с разбуриваемой породой, обеспечивающий постоянство отношения их контактных площадей, и исключение аварийной ситуации (поломки опор долота), когда на долото передается вся осевая нагрузка с расширителя, в случае попадания последнего в существенно более "мягкий" пропласток пород. В результате получен оптимальный интервал для соотношений диаметров расширителя и долота.

Нижняя граница соотношения 1,36, получена по результатам бурения скважин в анизотропных наклонно залегающих породах на месторождениях в Прикарпатье. Было установлено, что только при указанной величине отношения (например, расширитель диаметром 295,3 мм, долото диаметром 215,9 мм) и выше можно обеспечить стабилизацию направления бурения вертикальной скважины. Это объясняется тем, что данное условие дает минимальный размер устойчивого кольцевого забоя под расширителем (особенно для хрупких пород), когда обеспечивается равномерный контакт его вооружения с породой и, следовательно, постоянное отношение контактных площадей расширителя и долота. Для последнего существенным является также однотипность вооружения расширителя и долота, что позволяет учесть изменение их контактных площадей при переходе из одних пород в другие, делая отношение между ними практически постоянным.

Верхняя граница соотношения получена из расчета допустимых осевых нагрузок на расширитель и долото для ситуации, когда расширитель ступенчатой компоновки попадает в существенно более "мягкий" пропласток пород и как бы "провисает", т.е. не держит осевую нагрузку, а вся расчетная для него осевая нагрузка приходится на долото.

На чертеже изображена схема ступенчатой компоновки.

Ступенчатая компоновка содержит направляющую штангу 1 с долотом 2. Расширитель 3 соединен с верхним концом направляющей штанги 1. Опорно-центрирующий элемент может быть выполнен, например, в виде упругого центратора 4, включающего установленный в разъемном соединении направляющей штанги 1 ствол 5 и расположенный на последнем с возможностью вращения и осевого перемещения каркас 6 с упругими опорными планками 7. Место размещения упругого центратора 4 определяется из следующего соотношения:



где L_d расстояние от упругого центратора 4 до рабочего торца долота 2, м;

L_p расстояние от упругого центратора 4 до рабочего торца расширителя 3, м;

S_p опорная площадь торца расширителя 4, м²;

S_d опорная площадь торца долота 2, м².

Над расширителем 3 может быть установлен калибратор 8. Вооружение долота 2 и расширителя 3 должно быть однотипным, например, состоять из шарошек 9 с одинаковым типом зубков. Диаметры расширителя 3 и долота 2 должны выбираться из соотношения:



где D_р диаметр расширителя 3, м;

D_d диаметр долота 2, м.

Ступенчатая компоновка работает следующим образом.

При бурении вертикальной скважины в анизотропных наклонно залегающих и перемежающихся по твердости породах на долото 2 и расширитель 3 со стороны породы действуют отклоняющие силы, возникающие при взаимодействии их вооружения с анизотропной породой. Эти силы пропорциональны опорным (контактным) площадям долота 2 и расширителя 3 и одинаково изменяются по величине при переходе из одного пропластка разбуриваемых пород в другой. Благодаря размещению в заданном месте направляющей штанги 1 упругого центратора 4 отклоняющая сила, приложенная к расширителю 3, создает действующий на ступенчатую компоновку опрокидывающий момент, который компенсирует действие на последнюю опрокидывающего момента от отклоняющей силы на долоте 2. Компенсация указанных опрокидывающих моментов возможна только при однотипности вооружения долота 2 и расширителя 3, что позволяет соотнести их опорные площади (поверхности), а также при выборе диаметров долота 2 и расширителя 3 из соотношения:



где D_р диаметр расширителя 3, м;

D_d диаметр долота 2, м.

Нижняя граница соотношения дает для заданного диаметра долота тот минимальный диаметр расширителя, при котором под ним обеспечивается устойчивый кольцевой забой минимальной ширины без сколов, осыпания и подобных разрушений, что особенно важно для хрупких пород. В результате равномерный контакт вооружения расширителя с кольцевым забоем и, соответственно, постоянство отношения опорных (контактных) площадей расширителя и долота.

Верхняя граница соотношения дает максимальный диаметр расширителя, при котором исключается возможность поломки долота, в случае передачи на него всей осевой нагрузки с расширителя.

Таким образом, при бурении ступенчатой компоновкой вертикальной скважины в анизотропных наклонно залегающих и перемежающихся по твердости породах с помощью предложенного технического решения можно подобрать для заданного диаметра долота соответствующий диаметр расширителя из оптимального интервала размеров, при котором достигается стабилизация направления бурения и предупреждается поломка долота.