устройство для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин

Формула изобретения

Устройство для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин, содержащее долото, гидравлический забойный двигатель, патрубок между долотом и валом двигателя, колонну утяжеленных и бурильных труб, отличающееся тем, что оно снабжено размещенным в полости патрубка с возможностью качения по ее боковой стенке шаром, при этом полость патрубка ограничена соответственно со стороны вала двигателя посредством решетки, а со стороны долота - перегородкой, в которой выполнено прилегающее к боковой внутренней стенке патрубка продольное отверстие, диаметр которого равен половине диаметра шара.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике, в частности к устройствам для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Известно устройство для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин (НГС), включающее долото и забойный гидравлический двигатель (ЗГД). В горизонтальном и наклонном стволе расположена соединенная с двигателем колонна бурильных труб, выходящих через искривленную часть в вертикальный ствол скважины. Над искривленным стволом в составе бурильной колонны имеются утяжеленные бурильные трубы (УБТ), присоединенные верхним концом к колонне бурильных труб в вертикальном стволе скважины. Нагружение долота осуществляется разгрузкой весов УБТ на колонну бурильных труб протяженностью от начала искривления ствола скважины до долота, включая весь горизонтальный ствол скважины [I]

Недостатки известного устройства заключается в следующем. По мере удлинения наклонного и горизонтального ствола скважины возрастает площадь контакта бурильной колонны со стенкой скважины, растет сила трения бурильной колонны о стенку скважины, достигая нескольких тонн на каждые 100 м длины горизонтального и наклонного ствола, соответственно уменьшается нагрузка на долото от веса УБТ, что приводит к существенному уменьшению механической скорости бурения, возрастанию стоимости метра проходки. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрены средства, стимулирующие вынос шлама из горизонтального и наклонного ствола скважины, что еще более затрудняет движение бурильной колонны в скважине, создает опасность прихвата бурильной колонны, препятствует стабильной проходке ствола скважины в заданном направлении.

Известно устройство для бурения НГС, включающее долото и ЗГД, соединенный с колонной бурильных труб, расположенных в горизонтальном или наклонном стволе скважины. По длине колонны в горизонтальном или наклонном стволе скважины установлены с определенным интервалом гидравлические вибраторы, в которых движение клапанов синхронизировано со сдвигом фаз на половину периода [2]

Работа вибраторов приводит к увеличению подвижности бурильной колонны в стволе скважины, улучшению передачи нагрузки от УБТ к долоту, повышению подвижности шлама и его выносу из скважины.

Однако известное устройство имеет не только сложную конструкцию, но и трудно настраивается ее вибрационная система. Кроме того, синхронизация работы вибраторов не учитывает влияния топографии и пространственных искривлений ствола скважины, а приложение пульсирующих гидравлических нагрузок сжатия к колонне бурильных труб большой протяженностью приводит к расходованию гидравлической энергии лишь на деформацию волнообразования по длине колонны, а не к передаче нагрузки на долото. Кроме того, установка многочисленных вибраторов по длине бурильной колонны приводит к существенному повышению ее гидравлического сопротивления.

Известно также устройство для бурения НГС, содержащее долото, гидравлический забойный двигатель, патрубок между долотом и валом двигателя, колонну бурильных и утяжеленных бурильных труб [3]

Недостатком известного устройства является низкая эффективность работы в наклонной и горизонтальной скважинах, что объясняется высокой силой трения колонны о стенку скважины, в связи с чем нагрузка от веса УБТ слабо передается на долото.

Целью изобретения является повышение эффективности работы устройства в наклонных и горизонтальных скважинах за счет усиления передачи нагрузки на долото.

Цель достигается тем, что известное устройство для бурения НГС, содержащее долото, гидравлический забойный двигатель, патрубок межу долотом и валом двигателя, колонну утяжеленных и бурильных труб, снабжено размещенным в полости патрубка с возможностью качения по ее боковой стенке шаром, при этом полость патрубка ограничена соответственно со стороны вала двигателя посредством решетки, а со стороны долота перегородкой, в которой выполнено прилегающее к боковой внутренней стенке патрубка продольное отверстие, диаметр которого равен половине диаметра шара.

В основе работы устройства лежат следующие физические эффекты.

При вращении патрубка в горизонтальной скважине отверстие в перегородке попеременно занимает верхнее и нижнее крайние положения.

В крайнем нижнем положении происходит мгновенное частичное перекрытие отверстия перегородки, поток жидкости, текущий через патрубок, перестраивается, возникает частичный гидравлический удар на перегородку и по длине бурильной колонны распространяется гидромеханическая волна сжатия-растяжения. Под действием колебательных смещений элементов длины бурильной колонны ослабляется ее фрикционная связь со стенкой скважины, а под действием силы частичного гидравлического удара долото догружается и смещается вперед в направлении бурения. В результате облегчается процесс передачи на долото нагрузки от веса УБТ по телу колонны бурильных труб в горизонтальной скважине и исключается зависание бурильной колонны в наклонной скважине.

Перекрытие отверстия только половиной шара приводит к исключению возможности посадки шара в отверстие и его присасыванию перепадом давления.

А если учесть также нестационарность и непрерывно меняющиеся направления действующих на шар механических сил, то возможность присасывания шара исключается даже теоретически, что обеспечивает надежную работу устройства.

Перекрытие отверстия только половиной шара исключает также возможность неработоспособности патрубка после спуска в скважину даже при стационарном нахождении шара над отверстием, так как в стационарном состоянии гидросопротивления данной механической системы несущественны; они в упомянутом стационарном состоянии расходуются лишь на обтекание шара и на преодоление гидросопротивлений отверстий решетки и перегородки, которые незначительны ввиду их большой площади.

Решетка предотвращает вытекание шара из полости или его увлечение обратным потоком жидкости.

Таким образом, достигается цель изобретения.

На фиг. 1 показано устройство для бурения НГС; на фиг. 2 конструкция патрубка между долотом и валом двигателя; на фиг.3-4 сечение по А-А, Б-Б. Устройство для бурения НГС включает долото 1, ЗГД 2, патрубок 3, соединяющий долото с валом 4 ЗГД. ЗГД присоединен к колонне бурильных труб 5, находящихся в горизонтальном и искривленном стволах скважин. К концу бурильных труб 5, выходящему в вертикальную часть ствола скважины, присоединены утяжеленные бурильные трубы 6, предназначенные для передачи нагрузки на долото по колонне бурильных труб 5.

Патрубок между долотом и валом ЗГД состоит из двух свинчиваемых половин: 7 и 8. При этом конец 7 присоединяется к валу двигателя, а конец 8 к долоту. Полость патрубка со стороны вала двигателя ограничена решеткой 9, а со стороны долота перегородкой 10 с продольным отверстием 11, прилегающим к внутренней стенке патрубка. Между решеткой и перегородкой установлена втулка 12. В полости патрубка между решеткой, перегородкой и втулкой размещен с возможностью качения по боковой поверхности втулки шар 13. Отверстие 11 перегородки имеет диаметр, равный половине диаметра шара 13, благодаря чему в нижнем положении (показано пунктиром) оно перекрывается половиной шара, так что верхняя образующая 14 отверстия 11 совпадает с осью шара 13. Отверстия 15 решетки 9 выполнены с диаметром меньше диаметра шара 13 для предотвращения его выкатывания из полости или уноса обратным потоком жидкости.

Устройство работает следующим образом.

При нагнетании в полость бурильной колонны бурового раствора начинает работать ЗГД 2, что сопровождается вращением вала 4, патрубка 3, долота 1. Нагрузка на долото создается за счет веса УБТ 6, а передаточным звеном служит колонна бурильных труб 5. При этом сила трения колонны 5 о стенку скважины, препятствующая передаче нагрузки на долото 1, преодолевается работой патрубка 3, соединяющего вал 4 ЗГД 2 с долотом 1. При нахождении отверстия 11 перегородки в верхнем положении втекающая через решетку 9 жидкость беспрепятственно обтекает верхнюю половину шара 13 и через отверстие 11 устремляется в промывочные каналы долота 1. Вращение патрубка 3 приводит к переходу отверстия 11 в нижнее положение (показано пунктами). При этом перпендикулярно потоку (в плане) отверстие перегородки быстро перекрывается шаром 13, а втекающий в патрубок поток жидкости вынуждено и так же быстро перестраивается, обтекая шар по другим направлениям.

В результате возникает частичный гидравлический удар. Давление частичного гидравлического удара, помноженное на внутреннее проходное сечение втулки 12, дает импульс силы в направлении долота, способствующий преодолению силы трения о стенку скважины колонны бурильных труб 5 и передаче нагрузки от УБТ 6 на долото 1. При перекрытии (в плане) шаром 13 отверстия 11, ось шара не опускается ниже верхней кромки 14 отверстия 11 (в его нижнем положении), чем исключается посадка шара в отверстие и его присасывание перепадом давления.

Давление и сила частичного гидравлического удара могут быть усилены за счет выполнения поверхности перегородки 10, взаимодействующей с шаром 13, сферически-вогнутой формы. Если же упомянутую поверхность сделать сферически-выпуклой, то давление и сила гидравлического удара будут уменьшаться. Изменяя радиус этой поверхности можно приближать ее к более или менее полному сопряжению со сферической поверхностью шара 13, за счет чего меняется просветность между поверхностью шара 13 и входом в отверстие 11, и соответственно создаются более менее высокие давление и сила частичного гидравлического удара.

Описанное возникновение частичного гидравлического удара связано с переходными гидродинамическими процессами и возможно только в динамике, т.е. при вращении патрубка 3, сопровождающемся мгновенным перекрытием шаром 13 отверстия 11 перегородки с отсечением потока жидкости. Если же шар 13 находится над отверстием 11 достаточно долго и без движения, например, при спуске в скважину, то поток стационарно обтекает шар, попадая далее в расположенное под ним отверстие, и не создается существенных гидросопротивлений.

Таким образом, достигается цель изобретения повышение эффективности работы устройства в наклонных и горизонтальных скважинах.

Заявляемое изобретение использовано с 20-го по 23 мая 1993г. при бурении горизонтального ствола скважины N 59 Ириновской площади, проложенного в Заволжском продуктивном горизонте (Саратовское УБР по "Саратовнефтегаз").

Общая длина условно-горизонтального ствола 408 м; с использованием изобретения пробурены последние 151 м в интервале 899-1050 м двумя долблениями с проходкой 54 и 97 м.

Характеристика использованного устройства: долото 215,9 мм; патрубок 195 мм, в полости которого со стороны вала двигателя установлена решетка, а со стороны долота перегородка с продольным отверстием 50 мм, между решеткой и перегородкой размещен шар 100 мм с возможностью качения по боковой стенке полости, причем отверстие в перегородке в нижнем положении перекрывается половиной шара; винтовой забойный двигатель ДУ-172; легкосплавные бурильные трубы 129 мм - 417,9 м; стальные бурильные трубы 127 мм- 24,7 м; утяжеленные бурильные трубы 178 мм - 25,6 м; утяжеленные трубы 165 мм - 100 м; стальные бурильные трубы 127 мм остальное. Долота типа СЗГАУ и ТЗГНУ.

Согласно расчетам потери веса на трение бурильной колонны о стенку скважины составляли 6-8 т на каждые 100 м условно-горизонтального ствола скважины. В процессе бурения вся бурильная колонна разгружена.

Подача насоса 23 л/с, давление на стоянке 7-7,5 МПа.

Параметры бурового раствора: плотность 1180 кг/м³; вязкость по СПВ 28 с; водоотдача за 30 мин 6 см³; количество песка в растворе 1 мас.

Интервал 151 м пробурен за 60,6 ч со скоростью 2,49 м/ч.

В качестве базы сравнения приняты средние величины по скважинам NN 54, 68 и 59 в предшествующем интервале условно-горизонтального ствола. Скважины пробурены на тот же продуктивный горизонт в сходных геолого-технических условиях. Средняя скорость механического бурения по базе сравнения составила 1,60 м/ч. Следовательно, применение изобретения привело к увеличению механической скорости в 1,55 раза.

Таким образом, заявляемое техническое решение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

Источники информации

1. Никитин Б.А. и др. Бурение скважин с горизонтально направленным стволом как один из методов повышения эффективности разработки залежей с трудноизвлекаемыми запасами Нефтяное хозяйство, 1990, N 11, с. 17-23.

2. Султанов Б.З. Управление устойчивость и динамикой бурильной колонны, М. Недра, 1991, с. 165.

3. Григорян А.М. Вскрытие пластов многозабойными и горизонтальными скважинами, М. Недра, 1969, с. 106-110 (прототип).