способ бурения горизонтальных скважин в высокопроницаемых горных породах

Формула изобретения

Способ бурения наклонных и горизонтальных скважин в высокопроницаемых горных породах, включающий формирование перепада давления в системе «скважина - пласт» за счет изменения плотности промывочной жидкости, отличающийся тем, что с целью увеличения скорости бурения путем дифференцированного использования диапазона перепада давления, в котором скорость бурения растет, создается дополнительный перепад давления повышением плотности промывочной жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу бурения горизонтальных и наклонных скважин в высокопроницаемых горных породах, которыми слагаются, в том числе, промышленные пласты углеводородов.

Известен способ бурения, в котором промывочная жидкость используется для выноса выбуренной породы на поверхность [1] (аналог). Недостатком известного способа является то, что промывочная жидкость не обеспечивает устойчивость стенок скважины и безопасность ведения работ (выбросы).

Этого недостатка лишен способ бурения, включающий, в том числе, бурение высокопроницаемых горных пород при строительстве горизонтальных скважин, принятый за прототип [2], в котором используется промывочная жидкость разного состава различной плотности, гарантирующая безопасность ведения работ (выбросы) и устойчивость стенок скважины. В известном способе бурения стремятся минимизировать перепад давления столба промывочной жидкости (гидростатическое давление) и порового давления пластового флюида, т.е. перепад давления в системе «скважина-пласт» в надежде повышения скорости бурения.

Разрез горных пород осадочного комплекса, в которых, в основном, залегают углеводороды, представлен на 70% непроницаемыми горными породами, 25% - слабопроницаемыми и 5% - высокопроницаемыми. Отрицательное влияние гидростатического столба промывочной жидкости в скважине и величины ее плотности на скорость бурения непроницаемых и слабопроницаемых горных пород ввиду их полновесной представительности хорошо изучены, в отличие от незначительной презентабельности (5%) высокопроницаемых пород. Автором изобретения экспериментальным бурением в течение ряда лет установлено неоднозначное влияние перепада давления в системе «скважина-пласт» на скорость бурения высокопроницаемых горных пород. В определенном диапазоне перепада давления в системе «скважина-пласт», задаваемого, в том числе, плотностью промывочной жидкости, установлено положительное влияние этого перепада на скорость бурения. Установлено также расширение диапазона, в котором наблюдается это положительное влияние при увеличении плотности жидкости. Кроме того, при анализе результатов исследований просматривается тенденция расширения диапазона перепада давления, в котором отмечается рост скорости бурения в зависимости от управляемых факторов: нагрузки на долото, частоты его вращения и плотности промывочной жидкости.

С широким развитием строительства наклонных и горизонтальных скважин, в которых разбуриваемая мощность высокопроницаемых пород колоссально возросла, эффективность прохождения этих пород приобрело особую актуальность.

Целью изобретения является увеличение скорости бурения при разбуривании высокопроницаемых горных пород в наклонном и горизонтальном бурении.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе бурения путем дифференцированного использования диапазона перепада давления, в котором скорость бурения растет, создается дополнительный перепад давления повышением плотности промывочной жидкости.

На фиг.1 приведены зависимости механической скорости V от перепада давлений P в системе «скважина-пласт» с различными частотами вращения долота n, причем n₃>n₂>n ₁, при разбуривании непроницаемой горной породы на технической воде.

На фиг.2 показаны зависимости механической скорости V от перепада давлений P 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. Ромбиками 2 и 3 на оси ординат отмечены результаты бурения этого же песчаника той же проницаемости на частотах вращения долота n₂ и n₃ с очисткой забоя воздухом.

На фиг.4 приведены зависимости механической скорости V от перепада давлений P с частотами вращения долота n₃>n₂ >n₁ при разбуривании высокопроницаемой горной породы (песчаник) на глинистом растворе. Ромбиками 2 и 3 на оси ординат выделен результат бурения этого же песчаника 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 V( P) формируется по траектории n₁, при этом разбуривается кольматированный слой поверхности забоя; если V выше точки 1, график зависимости V( P) видоизменяется в соответствии закономерностям близким n₂ и n₃ с разбуриванием девственной (некольматированной) 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 A обозначен перепад давления в системе «скважина-пласт», создаваемый плотностью (удельным весом) промывочной жидкости (глинистый раствор), используемый для очистки забоя скважины. Линией A₁ обозначен перепад давления после увеличения плотности промывочной жидкости.

Автором изобретения процесс бурения горных пород различной проницаемости с очисткой забоя различными средами изучен достаточно подробно в эксперименте и предлагается к реализации в бурении наклонных и горизонтальных скважин, где высокопроницаемые породы представляют толщи больших мощностей и где положительный эффект может быть значимым.

Из фиг.3 и фиг.4 следует, что бурение высокопроницаемых пород с выносом выбуренной породы промывочной жидкостью могут существенно превосходить бурение с продувкой забоя воздухом (точки 2 и 3 на оси ординат фиг.3 и фиг.4). Сравнивая графики зависимости V( P) на фиг.3 и фиг.4 при очистке забоя скважины промывочной жидкостью различной плотности установлено, что плотность промывочной жидкости расширяет диапазон роста скорости бурения и увеличивает абсолютную величину этой скорости.

Последовательность реализации заявленного способа с привязкой к фиг.4 следующая. В начале бурения (долбления) с включением насосов перепад давления в системе «скважина-пласт» P определяется положением линии А. Скорость бурения при постоянной нагрузке изменяется от значения на графике зависимости V( P) при частоте n₁ по линии А через n₂ до n₃. Повышение плотности промывочной жидкости перемещает линию А в положение линии A₁, при котором на частоте n₁ скорость бурения падает, на частоте n₂ не изменяется, а на частоте n₃ растет. Используя частоту n₃, следует и дальше повышать плотность промывочной жидкости для увеличения скорости бурения, даже с использованием утяжелителя.

Как было сказано ранее, на положение и характер графика зависимости влияет абсолютная величина скорости бурения, которая находится в подчиненности от целого ряда технико-технологических параметров и в определенной мере частотнонагрузочной характеристики процесса бурения.

Источники информации

1. Вадецкий Ю.В. Справочник бурильщика.- М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 416 с. (аналог).

2. Калинин А.Г., Никитин Б.А. и др. Бурение наклонных и горизонтальных скважин. Справочник./ Под ред. А.Г. Калинина. - М.: Недра, 1997. - 648 с. (прототип).