NO903140L

NO903140L - BORE KRONE.

Info

Publication number: NO903140L
Application number: NO90903140A
Authority: NO
Inventors: Iskander Timurovich Akbulatov; Marat Nilovich Bairakov; Akhtyam Khalimovich Agliullin; Khamza Iskhakovich Akchurin; Midkhat Rakhmatullic Mavljutov; Sergei Nikolaevich Goronovich
Original assignee: Min Gazovoi Promy
Priority date: 1988-11-14
Filing date: 1990-07-13
Publication date: 1990-09-06
Also published as: NO903140D0

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt boring etter olje og gass og nærmere bestemt angår det en borekrone for å bryte stein og gjøre bunnhullet dypere ledsaget av utøvelse av en hydraulisk virkning på hullveggene. The present invention generally relates to drilling for oil and gas and more specifically it relates to a drill bit for breaking rock and making the bottom hole deeper accompanied by the exercise of a hydraulic effect on the hole walls.

Ved kjente konstruksjoner av borekroner tjener spylesystemet til å rense bunnen av hullet fra utbrutt stein og utøvelse av en hydraulisk virkning på hullets bunn, rengjøring og avkjøling av arbeidsflaten til borekronen. In known constructions of drill bits, the flushing system serves to clean the bottom of the hole from broken rock and exert a hydraulic effect on the bottom of the hole, cleaning and cooling the working surface of the drill bit.

Boring av permeable lag er ofte ledsaget av vanskelige soner i form av for mye tap av bores lam på grunn av hydraulisk kommunikasjon mellom hullet og den permeable formasjonen. En rekke med forskjellige styrbare metoder for fylling med sementvelling anvendes for å forebygge og eliminere slike vanskeligheter. Effektiviteten ved styrbar fylling med sementvelling avhenger av hvor hurtig treff av en slik permeabel sone er blitt kjent. Jo hurtigere Jo lettere kontrollerbar er fyllingen med sementvellingen. I tilfelle av boring inne i et produktivt lag er det ofte foretrukket å fylle med sementvelling samtidig med at dette laget treffes hvorved det er mulig å fastholde de naturlige reservoaregen-skapene til de oljebærende formasjonene. Drilling of permeable layers is often accompanied by difficult zones in the form of excessive loss of drill bit due to hydraulic communication between the hole and the permeable formation. A number of different controllable methods of filling with cement slurry are used to prevent and eliminate such difficulties. The effectiveness of controllable filling with cement slurry depends on how quickly such a permeable zone has been hit. The faster The more easily controllable the filling with the cement slurry. In the case of drilling inside a productive layer, it is often preferred to fill with cement slurry at the same time as this layer is hit, whereby it is possible to maintain the natural reservoir properties of the oil-bearing formations.

Borepraksis gjør bruk av en metode for kontrollerbar hydromekanisk fylling med sementblanding av permeable formasjoner hvorved høytrykksfluidstråler tilføres hullveggene for å danne en beskyttende barriere. Drilling practice uses a method of controllable hydromechanical filling with cement mixing of permeable formations whereby high-pressure fluid jets are supplied to the hole walls to form a protective barrier.

Under kontrollerbar fylling med sementvelling forstås regulering av energien til den hydromekaniske virkninger utøvet på hullveggen, sammensetting av massestoffasen i boreslammet, strukturelle og mekaniske parametre til slammet som avhenger av de geologiske forholdene for boringen, steinkarakteristlkker, og krav til resultatet av fyllingen med sementvellingen (slik som dybde, styrke og varighet av sementvellingsbarrieren). Controllable filling with cement slurry means regulation of the energy of the hydromechanical effects exerted on the hole wall, composition of the pulp phase in the drilling mud, structural and mechanical parameters of the mud which depend on the geological conditions for the drilling, rock characteristics, and requirements for the result of the filling with cement slurry (such such as depth, strength and duration of the cement welling barrier).

Det er kjent en anordning for å utføre en slik metode som innbefatter en rørstuss og dyser fastgjort ved dens sidevegg. A device for carrying out such a method is known which includes a pipe socket and nozzles attached to its side wall.

En barriere frembrakt ved ovennevnte metode og anordning reduserer eller til og med forhindrer hydraulisk kommunikasjon mellom permeable formasjoner og borehull såvel som øker motstanden til borehullet mot en hydromekanisk feil når den utfører forskjellige operasjoner inne i hullet. A barrier produced by the above method and device reduces or even prevents hydraulic communication between permeable formations and boreholes as well as increases the resistance of the borehole to a hydromechanical failure when performing various downhole operations.

Hydromekanisk fylling med sementvelling reduseres og for det andre blir permeable produktive lag tilsølt og taper sin naturlige reservoarkarakteristikk. Hydromechanical filling with cement slurry is reduced and, secondly, permeable productive layers are silted and lose their natural reservoir characteristics.

En fordelaktig løsning på dette problemet er å bruke en tannet ikke understøttet borekrone som en innretning for å bringe fluiddysene tettere opp mot hullets bunn (jfr. en artikkel av Bulatov A. I. og Avestisov A.G. med tittelen "Spravochnik inzhenera po bureniju" i Nedra Publishers, 1985, s. 305 og 308, fig. 238 og 239b). Denne anordningen innbefatter et borekronelegeme med kuttestrukturer for å forme og gjøre borehullet dypere og spyledyser rettet mot hullets bunn. An advantageous solution to this problem is to use a toothed unsupported drill bit as a device to bring the fluid nozzles closer to the bottom of the hole (cf. an article by Bulatov A. I. and Avestisov A. G. entitled "Spravochnik inzhenera po bureniju" in Nedra Publishers, 1985 , pp. 305 and 308, fig. 238 and 239b). This device includes a drill bit body with cutting structures to shape and deepen the borehole and flushing nozzles aimed at the bottom of the hole.

En ulempe med ovenfornevnte borekrone ligger i at den ikke kan anvendes for å føre ut styrbar fylling med sementvelling da den er konstruert utelukkende for å bryte fjellformasjoner. Når boredrillingen er betraktet som en enkel-enhetsprosess blir det imidlertid klart at ved å bruke fjellkutteverktøyet kun for å bryte fjellformasjoner og tilføre tilgjengelig boreteknologi, borefluid, etc. vil produksjonslaget bli forskjellig tilsølt henholdsvis forurenset. Andre permeable formasjoner vil hydraulisk kommunisere med borehullet som gir en høyere kostnad ved brønnboringen og følgelig en høyere nettokostnad ved fluidgjenvinningen. A disadvantage of the above-mentioned drill bit lies in the fact that it cannot be used to carry out controllable filling with cement slurry as it is designed exclusively to break rock formations. When the drilling is considered as a single-unit process, however, it becomes clear that by using the rock cutting tool only to break rock formations and adding available drilling technology, drilling fluid, etc., the production layer will be differently soiled or contaminated. Other permeable formations will hydraulically communicate with the borehole which results in a higher cost of well drilling and consequently a higher net cost of fluid recovery.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å tilveiebringe en borekrone som har i det minste en av spyledysene anbrakt slik at en stråle med borefluid derfor kunne behandle hullveggen ledsaget av forming av hullveggen og gjere borehullet dypere. The present invention aims to provide a drill bit which has at least one of the flushing nozzles positioned so that a jet of drilling fluid could therefore treat the hole wall accompanied by shaping the hole wall and make the borehole deeper.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse blir tilveiebrakt ved at en borekrone som innbefatter et legeme med skjærestrukturelementer for å gjøre hullets bunn dypere og for å forme hullveggene og som har spyledyser rettet mot borehullsveggene er kjennetegnet ved at minst en av dysene er rettet mot hullveggen og en anbrakt slik at skjæringspunktet av dens akser med en skjæreflate til borekronen er over en lavere rekke med skjærestrukturelementer som former hullveggene. The purpose of the present invention is achieved in that a drill bit which includes a body with cutting structure elements to deepen the bottom of the hole and to shape the hole walls and which has flushing nozzles directed towards the borehole walls is characterized by at least one of the nozzles being directed towards the hole wall and one positioned so that the intersection of its axes with a cutting surface of the drill bit is over a lower row of cutting structural elements that shape the hole walls.

Avstanden fra skjæringspunktet til dyseaksen med kutteover-flaten til borekronen langs en linje normalt på den nedre raden med kutte(skjære)strukturelementer bestemmes fortrinnsvis av uttrykket: The distance from the intersection of the nozzle axis with the cutting surface to the drill bit along a line normal to the lower row of cutting (cutting) structural elements is preferably determined by the expression:

hvor R er utløpsradiusen til dysen, og Sin A er vinkelen mellom aksen til dysen og borekronen. where R is the outlet radius of the nozzle, and Sin A is the angle between the axis of the nozzle and the bit.

Hovedtrekket ved foreliggende oppfinnelse ligger i det følgende. The main feature of the present invention lies in the following.

Når strukturkutteelementene til bunndelen av borekronen kutter inn i fjellet bryter de det hvorpå kronekutteflåtene former borehullet. En eller flere stråler med borefluid unnslipper fra dysene mot de således formede borehullsveggene hvorved hydraulisk kommunikasjon med det permeable laget inne i borehullet reduseres eller forhindres. When the structural cutting elements of the bottom part of the drill bit cut into the rock, they break it, on which the bit cutter floats form the borehole. One or more jets of drilling fluid escape from the nozzles towards the thus shaped borehole walls, whereby hydraulic communication with the permeable layer inside the borehole is reduced or prevented.

Når det brukes kjente konstruksjoner av borekroner blir boreprosessen ledsaget av dyp (flere meter dyp) inntrengning av massiv fase og filtrater av borefluidet inn i det permeable laget. Dette igjen påvirker reservoarkarakteristik- ken til de produktive formasjonene, spesielt porøsitet og permeabilitet og spesielt effektive bergpermeabiliteter mot hydrokarboner. Selv etter fullføring av veggen blir produktiviteten til brønnen ikke gjenvunnet. Hydraulisk kommunikasjon til de andre permeable lagene med borehullet kan bevirke vanskelige soner i form av tapt sirkulasjon av boreslam og pluggfluid, fluidforekomst, klebing av bore- og foringsstren-gene. When known constructions of drill bits are used, the drilling process is accompanied by deep (several meters deep) penetration of massive phase and filtrates of the drilling fluid into the permeable layer. This in turn affects the reservoir characteristics of the productive formations, especially porosity and permeability and particularly effective rock permeabilities to hydrocarbons. Even after completion of the wall, the productivity of the well is not recovered. Hydraulic communication to the other permeable layers with the borehole can cause difficult zones in the form of lost circulation of drilling mud and plug fluid, presence of fluid, sticking of the drill and casing strings.

I løpet av anvendelsene av en stråle med boreslam som går ut fra dysen til borekronen på borehullsveggene umiddelbart etter formingen av veggene er inntrengningshastigheten av ingrediensene i boreslammet svært lav og ved perforering eller avfylling av slamvellingen blir laget fullstendig ved den maksimale potensiale produktiviteten. Det er derfor tilrådelig at de nedre kantene til strålen skal være ved et nivå hvor strukturkutteelementene danner borehullsveggen. Senteret til strålen skulle fortrinnsvis være høyere enn disse elementene med en størrelse During the applications of a jet of drilling mud that exits from the nozzle to the drill bit on the walls of the borehole immediately after the formation of the walls, the penetration rate of the ingredients of the drilling mud is very low and when perforating or filling the mud slurry the formation is completely at the maximum potential productivity. It is therefore advisable that the lower edges of the beam should be at a level where the structural cutting elements form the borehole wall. The center of the beam should preferably be higher than these elements by one size

hvor R er utløpsradiusen til dysen og Sin A er vinkelen mellom aksen til dysen og borekronen. where R is the outlet radius of the nozzle and Sin A is the angle between the axis of the nozzle and the bit.

Dersom strålen er lavere vil strukturkutteelementene bryte sementvellingsbarrieren. Dersom strålen er høyere vil filtratet og massive faser av boreslammet trenge inn til en vesentlig dybde i en tidsperiode mellom forming av borehullsveggene og styrbar fylling av sementvellingen. If the beam is lower, the structural cutting elements will break the cement welling barrier. If the jet is higher, the filtrate and massive phases of the drilling mud will penetrate to a significant depth during a period of time between forming the borehole walls and controllable filling of the cement slurry.

Den foreslåtte anordningen gjør det mulig å unngå vanskelige soner i veggbrønnen. Boringene gjøres ved kontrollering av hydrostatisktrykk i hullets bunn i samsvar med karakteris-tikken av sementvellingsbarrieren. Det er altså mulig å utføre utjevning og trykkdifferensialboring som forbedrer vesentlig borekroneytelsen. The proposed device makes it possible to avoid difficult zones in the wall well. The drilling is done by controlling the hydrostatic pressure at the bottom of the hole in accordance with the characteristics of the cement welling barrier. It is therefore possible to carry out leveling and pressure differential drilling, which significantly improves drill bit performance.

Den foreslåtte borekronen gjør bruk av asymmetrisk spyling da i det minste en dyse er rettet mot borehullsveggen. Det er kjent undersøkelser som angår effektiviteten til asymmetrisk kronespyling som fremmer evakueringen av slam fra kuttesonene og sikrer en 20 til 3056 forbedring ved borekroneoperasjonen. I betraktning av ovenfornevnte vil kombinasjonen av stein-brytefunksjonen og styrbar påfylling av sementvelling i en enkel struktur forbedre ytelsen til borekronen rent generelt. The proposed drill bit makes use of asymmetric flushing as at least one nozzle is directed towards the borehole wall. Research is known concerning the effectiveness of asymmetric bit flushing which promotes the evacuation of mud from the cutting zones and ensures a 20 to 3056 improvement in bit operation. In view of the above, the combination of the rock-breaking function and controllable filling of cement slurry in a simple structure will improve the performance of the drill bit in general.

Foreliggende oppfinnelse muliggjør reduksjon av metallfor-bruket med 20 til 3056 takket være forenklingen ved prosessen for å lage hullet, idet den reduserer kjøredybden og utsettingen av foringsstrenger. En annen fordel er reduserte utgifter for preparering og kjemisk behandling av boreslammet med 30-4056 når boringen foregår under likevekt eller undertrykk, øket olje- og gassgjenvinning av de produktive lagene med 10-2056, redusert vanninntrengning av produktene gjenvunnet ved 20-3056 i løpet av boreutførelsen, boring uten vanskeligheter i dybder til produktive formasjoner til over 1000-1500 m uten at hullbunnen dekkes med foringsrør. The present invention enables the reduction of metal consumption by 20 to 3056 thanks to the simplification of the process for making the hole, as it reduces the driving depth and the laying out of casing strings. Another advantage is reduced expenses for preparation and chemical treatment of the drilling mud by 30-4056 when drilling takes place under equilibrium or negative pressure, increased oil and gas recovery of the productive layers by 10-2056, reduced water penetration of the products recovered by 20-3056 during of the drilling execution, drilling without difficulty at depths to productive formations of over 1000-1500 m without covering the bottom of the hole with casing.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser en borekrone med rullekuttere i samsvar med In what follows, the invention will be described in more detail with reference to accompanying drawings, where: Fig. 1 shows a drill bit with roller cutters in accordance with

oppfinnelsen.the invention.

Fig. 2 viser en ikke-understøttet borekrone i samsvar med Fig. 2 shows an unsupported drill bit in accordance with

oppfinnelsen.the invention.

Den foreslåtte borekronen kan ha forskjellige borekrone-kuttestrukturer foranderlig til foretrukket utboring av hullet. The proposed drill bit can have different drill bit cutting structures changeable to preferred boring of the hole.

Med henvisning til fig. 1 innbefatter den foreslåtte borekronen et legeme 1, kuttere 2 med kuttestrukturer 3 for å gjøre hullets bunn dypere og kuttestrukturer for å forme veggene til hullet. Legemet 1 opptar spyledyser med i det minste en slik dyse 5 rettet mot hullets vegg. With reference to fig. 1, the proposed drill bit includes a body 1, cutters 2 with cutting structures 3 to deepen the bottom of the hole and cutting structures to shape the walls of the hole. The body 1 accommodates flushing nozzles with at least one such nozzle 5 directed towards the wall of the hole.

Dysen 5 er fastgjort slik at punktet for skjæringen med sin akse med en sikkerhetsflate 6 ligger over en nedre rekke 7 med strukturkutteelementer for å forme hullveggen. Avstanden fra skjæringspunktet til dysens 5 akse med sikkerhetsflaten 6 over en linje normalt på den nedre rekken 7 med strukturkutteelementer bestemmes ved uttrykket The die 5 is fixed so that the point of cutting with its axis with a safety surface 6 lies above a lower row 7 of structural cutting elements to shape the hole wall. The distance from the intersection of the axis of the nozzle 5 with the safety surface 6 above a line normal to the lower row 7 of structural cutting elements is determined by the expression

Med henvisning til fig. 2 er det vist en modifikasjon av den foreslåtte borekronen ved hvilket strukturkutterne 3 og 4 er fastgjort umiddelbart ved legemet 1 og er kontinuerlig i samvirke med hullets bunn i løpet av boringen. Denne borekronekonstruksjonen er derfor ikke understøttet. With reference to fig. 2 shows a modification of the proposed drill bit whereby the structure cutters 3 and 4 are attached immediately to the body 1 and are continuously in cooperation with the bottom of the hole during drilling. This drill bit construction is therefore not supported.

Den foreslåtte borekronen opererer som følgende. The proposed drill bit operates as follows.

Strukturkutterne 3 virker for å bore ut fjell, mens derimot strukturkutterne 4 former hullets vegger. Samtidig med at det startes forming av hullveggene (ved utøvelse av en virkning av den nedre raden 7 med strukturkutteelementer til sikkerhetsf laten 6) blir denne delen av hullet påvirket av en væskestråle som unnslipper fra dysen 5 og som er rettet mot hullets vegg. The structure cutters 3 work to drill out rock, while the structure cutters 4, on the other hand, shape the walls of the hole. At the same time as the formation of the hole walls is started (by exerting an effect of the lower row 7 with structural cutting elements to the safety surface 6), this part of the hole is affected by a jet of liquid that escapes from the nozzle 5 and is directed towards the wall of the hole.

Ved en radius for toppseksjonen av dysen lik 6 mm og en vinkel mellom dysens akse og borekronen lik 45° vil posi-sjonen for skjæringspunktet mellom dysens akse og den nedre rekken 7 med strukturkutteelementer være tilsvarende: Bredden på en ring av hulldelen dekket av dysene er følgelig 2 x 8,5 - 17 mm. Er man klar over denne størrelsen er det mulig å styre borepraksisen for å tilveiebringe de ønskede betingelsene for fylling av sementvelling på borehullets vegger. With a radius for the top section of the nozzle equal to 6 mm and an angle between the axis of the nozzle and the drill bit equal to 45°, the position of the intersection between the axis of the nozzle and the lower row 7 of structural cutting elements will be equivalent: The width of a ring of the hole part covered by the nozzles is therefore 2 x 8.5 - 17 mm. If one is aware of this size, it is possible to control the drilling practice in order to provide the desired conditions for filling cement slurry on the walls of the borehole.

I betraktning av ovenfornevnte tillater den foreslåtte konstruksjonen av borekronen å kombinere prosesser med å bryte fjellformasjoner og gjøre hullets bunn dypere med en styrbar hydromekanisk fylling med sementvelling på borehullets vegger. Considering the above, the proposed construction of the drill bit allows to combine processes of breaking rock formations and deepening the bottom of the hole with a controllable hydromechanical filling with cement rolling on the walls of the borehole.

Foreliggende oppfinnelse kan bli anvendt med fordel under boring for olje og gass såvel som borehull for underjordiske gasslager ved forskjellige geologiske forhold. The present invention can be used with advantage during drilling for oil and gas as well as boreholes for underground gas deposits under different geological conditions.

Mest effektiv er dens bruk for å undersøke et lag med olje og gassbærende formasjoner (over 1500 m) i tilstedeværelsen av ekstra høy eller lave reservoartrykk, når boreformasjonene inneholder aggresive fluider (hydrogensulfid, karbondioksid, etc), ved høye trykkvarianter mellom fluidbærende formasjoner (0,3 ... 0,6 MPa/m), når vann og oljebærende lag med liten tykkelse (omkring lm) er tett i hullseksjonen, eller under fravær av forseglingssøm, når formasjonen inneholder utilstrekkelig fjell som kan inneholde hulrom, når man kommer over borehullsseksjoner som gir opphav til borestrengfast-setting, og når det bores fjell med lav hydraulisk frak-tureringsgradient (0,0160 ... 0,0165 MPa/m). Most effective is its use to investigate a layer of oil and gas-bearing formations (over 1500 m) in the presence of extra high or low reservoir pressure, when the drilling formations contain aggressive fluids (hydrogen sulphide, carbon dioxide, etc), at high pressure variations between fluid-bearing formations (0 .3 ... 0.6 MPa/m), when water and oil-bearing layers of small thickness (about lm) are dense in the hole section, or in the absence of a sealing seam, when the formation contains insufficient rock that may contain voids, when coming across borehole sections that give rise to drill string jamming, and when drilling rock with a low hydraulic fracturing gradient (0.0160 ... 0.0165 MPa/m).

Foreliggende borekrone gjør det mulig å bore hull ledsaget ved å tilveiebringe en sementvellingsbarriere og forsegle permeable formasjoner fra borehullet. The present drill bit makes it possible to drill holes accompanied by providing a cement welling barrier and sealing permeable formations from the borehole.

Claims

1. Drill bit including a body (1) with structural cutting elements (3, 4) to deepen the borehole and shape the hole walls, and flushing nozzles directed towards the bottom of the hole, characterized in that at least one nozzle (5) is directed towards the hole wall and positioned so that the intersection point with its axis with a safety surface (6) until the drill bit is over a lower row (7) of cutting structure elements that shape the hole wall.

2. Drill bit according to claim 1, characterized in that the distance from the intersection point with the nozzle (5) axis with the safety surface (6) to the drill bit along a line normally on the lower row of structural cutting elements is determined by the expression

where R is the outlet radius of the nozzle, and Sin A is the angle between the axis of the nozzle and the bit.