способ бурения высокопроницаемых горных пород при строительстве горизонтальных скважин

Формула изобретения

Способ бурения высокопроницаемых горных пород при строительстве горизонтальных скважин, включающий в себя создание перепада давлений в системе «скважина - пласт» за счет плотности промывочной жидкости, создание гидродинамической составляющей перепада давлений запуском буровых насосов при приближении долота к забою, а также вывод долота на проектную нагрузку и частоту его вращения, отличающийся тем, что, с целью существенного повышения скорости бурения, перепад давлений промывочной жидкости на забое поднимается до прекращения роста скорости бурения с дальнейшим поддержанием установленного режима.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам бурения скважин, а именно способу бурения высокопроницаемых горных пород, которыми слагаются, как правило, промышленные пласты и которые разбуриваются наклонными и горизонтальными скважины.

Известен способ бурения, в котором расход промывочной жидкости, применяемой так же и для выноса выбуренной породы на поверхность, ограничивается диаметром скважины, ее глубиной, т.е. давлением на буровых насосах (их потенциалом), которое слагается из перепада давлений в бурильных трубах, долоте и в затрубном пространстве [1] (аналог). Высокая перемежаемость горных пород, в том числе и по проницаемости, в способе бурения не учитывается.

Известный способ бурения, включающий бурение высокопроницаемых горных пород, при строительстве горизонтальных скважин, принятый за прототип [2], включает в себя создание перепада давления в системе «скважина - пласт» за счет плотности промывочной жидкости, создание гидродинамической составляющей перепада давления запуском буровых насосов при приближении долота к забою, а также вывод долота на проектную нагрузку и частоту его вращения. Проницаемость горных пород не учитывается, поскольку пласты высокопроницаемых горных пород имеют незначительную мощность, проходятся быстро и в балансе времени строительства скважин существенной роли не играют. Кроме того, влияние перепада гидростатического и пластового давления на скорость бурения высокопроницаемых пород в достаточной мере не изучено. Однако с широким развитием строительства наклонных и горизонтальных скважин, в которых разбуриваемая мощность высокопроницаемых пород значительно умножилась, эффективное прохождение образовавшихся объемов приобрело особую актуальность.

Целью изобретения является существенное повышение скорости проходки при разбуривании высокопроницаемых горных пород в наклонном и горизонтальном бурении.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе бурения перепад давления промывочной жидкости на забое поднимается вплоть до прекращения роста скорости бурения с дальнейшим поддержанием установленного режима.

На фиг.1 приведены зависимости механической скорости V от перепада давлений Р в системе «скважина - пласт» с различными частотами вращения долота n, причем n₃>n₂>n ₁, при разбуривании непроницаемой горной породы на технической воде. В данном случае перепад давлений Р равен гидростатическому давлению столба промывочной жидкости - технической воды, поскольку порода непроницаема.

На фиг.2 показаны зависимости механической скорости V от перепада давлений Р в системе «скважина - пласт» при разбуривании слабопроницаемой горной породы (известняк) на глинистом растворе в тех же частотах вращения долота n.

На фиг.3 представлены зависимости V( P) при бурении высокопроницаемых горных пород (песчаник) с промывкой забоя технической водой на тех же частотах вращения долота n₃>n₂>n₁. Ромбами 2 и 3 на оси ординат отмечены данные бурения высокопроницаемых пород на частотах вращения долота n₂ и n₃ с очисткой забоя воздухом. Штрихпунктирной линией А обозначен уровень гидродинамического давления на пласт высокопроницаемых пород, возникающий при циркуляции промывочной жидкости (воды) в системе бурящейся скважины: по бурильным трубам, в долоте на забое и взатруном пространстве

Линия С из точки 4 - график зависимости V( Р) указывающий на возможности роста скорости бурения при увеличении перепада гидродинамического давления технической воды в циркуляционной системе скважины.

На фиг.4 приведены зависимости механической скорости V от перепада давлений Р в циркуляционной системе с частотами вращения долота n₃>n₂>n₁ при разбуривании высокопроницаемой горной породы на глинистом растворе. Ромбами 2 и 3 на оси ординат выделено бурение высокопроницаемых пород с очисткой забоя воздухом на частотах вращения долота n₂ и n₃. Точкой 1 на оси ординат отмечено положение так называемой «критической» скорости, при которой она отображает скорость перемещения кольматационного слоя поверхности забоя при бурении. «Критическая» скорость определяет характер процесса бурения: если значение V ниже точки 1, характер графика зависимости F( P) формируется по траектории n₁ при этом разбуривается всегда кольматированный слой поверхности забоя; если V выше точки 1, график зависимости V( Р) видоизменяется в соответствии закономерностям близким n₂ и n₃ с разбуриванием девственной поверхности забоя.

Следует отметить, что дело здесь не столько в частоте вращения долота, сколько в абсолютной величине скорости бурения, которая находится в зависимости от целого ряда технико-технологических параметров.

Штриховой линией В обозначен перепад давления в системе «скважина - пласт» создаваемый плотностью (удельным весом) промывочной жидкости (глинистый раствор), находящейся в скважине. Штрихпунктирной линией А обозначен уровень гидродинамического давления на пласт высокопроницаемых пород, суммарный перепад воздействия плотности и движения промывочной жидкости в циркуляционной системе.

Линия С исходящая из точки 4 между частотами вращения долота от n₂ до n₃ - это график зависимости V( Р), представляющий перспективу заявляемого способа. При увеличении гидродинамической нагрузки на забой в точке 4, путем повышения расхода промывочной жидкости и качественного подбора гидромониторного долота характер графика зависимости V( Р) приобретает вид линии 4-С.

Фиг.1 и фиг.2 приведены для демонстрации доминирующего представления влияния перепада давления на скорость бурения в среде научной общественности: резкое падение скорости с постепенным выполаживанием при увеличении перепада с учетом особенностей влияния частоты вращения долота и нагрузки на него. Доминанта обусловлена тем, что разрез скважины в большинстве своем представлен 70% непроницаемыми породами, 25% слабопроницаемыми и только 5% высокопроницаемыми. Последние разбуриваются безболезненно для баланса времени строительства скважины. Характер поведения зависимости V( Р) высокопроницаемых пород с определенного значения Р идентичен непроницаемым и слабопроницаемым (см. фиг.3 и фиг.4), поэтому не изучался детально, а встречаемые в начале эксцессы принимались за статистический разброс. Автором изобретения процесс изучен достаточно подробно в эксперименте и предлагается к реализации в связи с появившимися большими мощностями высокопроницаемых пород в наклонных и горизонтальных скважинах, где положительный эффект может быть значимым. Из фиг.3 и фиг.4 следует, что бурение на жидких компонентах выноса выбуренной породы могут существенно превосходить бурение с продувкой забоя воздухом (точки 2 и 3 на оси ординат).

Последовательность реализации заявленного способа с привязкой к фиг.3 и фиг.4 следующая. При приближении долота к забою включаются буровые насосы сопровождающиеся выходом на гидродинамическую составляющую перепада давления - линия А на фиг.3 и фиг.4. Запускается вращение долота с частотой вращения, например, между n₂-n₃ и нагружается долото до выхода в точку 4 на линии А. Это обычный способ бурения. Далее по заявленному способу. Запускаются дополнительные гидравлические мощности, чтобы перепад давления промывочной жидкости увеличился из уровня точки 4 в уровень окончания линии С, сопровождаемый ростом скорости бурения. В конце линии С рост V прекращается и дальнейшее увеличение перепада становится бессмысленным, поскольку скорость бурения будет снижаться.

В реальном бурении после выхода на проектный гидродинамический уровень перепада с началом вращения долота на проектной частоте производится его нагружение, регламентированное, например, навигацией продвижения бурового инструмента. Ресурс исчерпан. Подключается гидродинамическое ускорение бурения перепадом давления. Если прирост скорости не исчерпан, т.е. зависимость V( Р) продолжает расти, следует заменить гидравлический забойный двигатель на ГЗД с большей частотой вращения и большей пропускной способностью, а также другие полезные решения. Возможно, и снижение перепада из области правее С.

Как видно из фиг.4 достигается 35% успеха по сравнению с обычным способом и 40% по сравнению с очисткой забоя воздухом.

Долота следует применять специальные, у которых гидромониторные насадки направлены непосредственно на забой под набегающую шарошку с дополнительной центральной насадкой и ступенькой на периферийном вооружении.