RU2002024C1 - Способ бурени скважины - Google Patents

Description

создают вынужденные колебани , фаза которых совпадает с фазой собственных колебаний гидравлической системы.

Предлагаемый способ бурени  позвол ет стабилизировать процесс бурени , в частности , работу циркул ционной системы промывки скважин, что повышает надежность и долговечность бурового оборудовани  до 50%.

Разработанна  система, адаптирующа с  и самонастраивающа с  к резонансу, создает услови  дл  возрастани  механической скорости бурени  до 100% и выше относительно традиционного гидромониторного режима промывки. Кроме того, така  система промывки позвол ет сделать процесс бурени  экологически чистым, так как при этом депресси  на пласт  вл етс  минимальной.

В соответствии с одним из вариантов выполнени  изобретени  генерируют частоту вынужденных колебаний давлени  в промывочной жидкости, не превышающую 100 Гц. Этот вариант выполнени  изобретени  целесообразно использовать при проходке устойчивых в зкопластичных пород.

В другом варианте выполнени  изобретени  в промывочной жидкости генерируют частоту вынужденных колебаний давлени , превышающую 100 Гц. Такой вариант выполнени  изобретени  целесообразно использовать при проходке неустойчивых геологических разрезов.

В предпочтительном варианте выполнени  изобретени  отношение частот собственных и вынужденных колебаний волн давлени  в промывочной жидкости выражаетс  числами натурального р да.

Такой вариант выполнени  изобретени  позвол ет за счет создани  различных уровней турбулентной энергии, соответствующих различным значени м отношений частот собственных и вынужденных колебаний (пульсаций) давлени , волн плотности, получать различные гидроэнергетические уровни эффективности промывки задо .

Таким образом предлагаемый способ способствует повышению долговечности оборудовани . Наибольший эффект от использовани  резонансного режима может быть получен при разбуривании, так называемых- , в зкопластичных пород - глин, аргиллитов , алевролитов, разбуривание которых приводит к осложненному состо нию бурового раствора на забое, прихвату инструмента. Ликвидаци  таких аварийных ситуаций требует дорогосто щих операций - проработки ствола скважины, восстановлени  циркул ции промывочной жидкости вдоль ствола скважины. Резонансный режим промывки способствует высокотурбулентному режиму промывки, который предупреждает такие аварийные ситуации в процессе бурени .

Сравнение за вл емого технического 5 решени  с прототипом позвол ет установить соответствие его критерию Новизна. При изучении других известных решений в данной области технические ки, отличающие за вл емое изобретение от

0 прототипа, не были вы влены и потому они обеспечивают за вл емому техническому решению соответствие критерию Существенные отличи .

На фиг.1 представлен график измене5 ни  объема закачиваемой промывочной жидкости в колонну бурильных труб в зависимости от глубины забо  скважины и бури- мости горной породы; на фиг.2 - график изменени  нагрузки на породоразрушаю0 щий tiiiCTpywcin : :-Cu. .. от глубины забо  и коэффициента буримости горной породы; на фиг.З - график изменени  значений собственной частоты колебаний давлени  в данной гидравлической системе в

5 зависимости от ее прот женности (длины); на фиг.4 - график зависимости реологических параметре-:: эффективной в зкости и касательных напр жений трени  в сло  жидкости от степени турбулизэции промы0 вочной жидкости и градиентов скоростей сдвига о ней; на фмг.5 - график изменени  амплитуды давлени  в зависимости от соотношени  собственных и вынужденных частот колебаний; на фиг.6 - схема

5 резонансного потока промывочной жидкости; на фиг,7 - график зависимости механической СКОРОСТИ бурени  от параметров бурени  при использовании предлагаемого способа бурени  винтовым забойным дви0 гателем.

Способ включает в себ  два этапа управлени  процессом бурени :

1)стабилизацию режима работы подси- 5 стемы буровые насосы-колонна-забойный

двигатель-долото-порода;

2)создание высокотурбулентного потока промывочной жидкости на забое скважины .

0 Дл  реализации первого этапа управлени  разработаны алгоритмы оптимального управлени  режимом бурени  забойным двигателем. Дл  этого построен .алгоритм стабилизации режима работы

5 гидравлической системы от насог.оп к забою , при этом учитываютс  прод 1 - колебани  в промывочной жидкое1 ,, ни званные реакцией забо  и интеч .. :- динамической нагрузкой на поркл0; шающем инструменте,.

Результатом реализации алгоритма управлени  процессом бурени   вл етс  то, что вращение инструмента производ т с посто нной частотой, пропорциональной нагрузке на инструмент и расходу промывочной жидкости согласно законам изменени  их, представленных на фиг.1,2. При этом в гидравлической системе создаютс  собственные частоты колебаний давлени , которые измен ютс  в зависимости о, глугчны забое, как это показано нафиг.З, 1 7Р1„,КГ onevro частот, создаваемых на за- i |,пм дл«г- ,те/10 и передаваемых на забой (ч пажи lib1

Крч э того, вблизи забо  создают вы- j .«i -не чслебани , фаза которых совпа- i GI с Фадоп собственных колебаний (идраьлн юсмэй системы. Посто нна  час- юта вращени  породоразрушающсго инст- румоша определ етс  заданным перепадом давлени  на забойном двигате- лс в гидравлической системе.

Согласно фиг.4 при высокочастотных глебани х давлени  в промывочной жидкости (породе) плотности возрастают, поо- тому высокочастотное воздействие ШК льэуетс  при проходке неустойчивых 1 to; m ичгскил разрезов с использованием в ачеотго забойного дзунател -турбобура. lit и чМ1кочастогиых колебани х давлени - пр it u очной жидкости плотность промы- ви (. ои жидкости и породы уменьшени , по- эюму такой механизм лучше использовать при проходке устойчивых пород с использованием винтовых забойных двигателей.

Автором установлены закономерности вли ни  резонансного режима течени  промывочной жидкости в призабойной зоне на разгрузку забо  от. дифференциального давлени , или иначе, создани  зоны понижен- ного давлени , предразрушение породы и сн тие и предупреждение образовани  фильтрационной корки на поверхност х призабойной зоны.

Под квазирезонансным режимом про- мыеки забо  автор подразумевает управл емый пульсационный режим, при котором отношение собственных fi и вынужденных fb частот колебаний давлени  выражаетс  числами натурального р да, то есть удовлет- вор ег условию:

.ii

Учитыва , что резонансные кривые воз- растани  амплитуды давлени  завис т из соотношени  fi/fb, то соответственно происходит возрастание амплитуды их результирующей составл ющей (фиг 5). Очевидно, мистическа  энерги  такого пульсационно0 )

го потока пропори ионаг на ширине чзсгсмного спектра

и отношению fi/b

Таким образом, каждые частотно-волновые взаимодействие пары собственных и вынужденных часто ЦПХ (fb) - вносит определенный вклад в развитие |урбулентно- сти. Возникающа  жерп   пз имодейстаич передаетс  в погр и ичт иглой, захватыва  все более глубокие уропнм пограничного сло  на поверхности ,( боч, пооника  также в породу призабойной зоны, том самым создава  эффект пре/фг руи ен /i породы (фиг,6). Малые возм/щенч, создаваемые осцилл торами (( -), расг ростра люте  со скоростью звука, хзр иерний д/ данной среды, в том числе породы, «то приводи к ее переструктурисаиии, го изменению коллекторских свойсго пород При этом, если кажда  но чапотинх составл ющих волнового процесса гтчьше 100 Гц, то происходит понижечпе в зкости и плогно- сги среды, иначе госсоч гюз11Ш8чге проницаемости пласга. При чьииеназванных процессах, когда частом.ые состач 1 юшие превышают 100 Гц, в при рдспростра нении малых возму исний ирг схс дит повышение ВЯЗКОСТИ И Г ЮГНОСГИ

Подтверждением ачмол гипот зч  вл етс  сажный прэкп ЧРП И результат-повышение механической скорости буррни , долговечности и надежность оборумсеани  (таблица). Минимапьное д прессионное воздействие на пласт, то есть разгрузка за- боча  от динамического авлечп  способствует экологически иг,ion ТРХНОЛОГИИ бурени  скважин. Кроме того эть позвол ет создавать услови  дн  притока флюида из пласта. Разработанный способ основан на использовании нмзкооборотного бурени  скважин забойными двигател ми в зависимости от класса разбуриваемых пород: турбобур создает высокочастотные колебани , винтовой забойный двигатель - низкоча стотные.

Частота вращени  долота зависит от частоты вращение забойного двигател  пропорционально расходу промывочной жидкости

,. Q к

О) - -ft- К , «в

(2)

где К -тарировочныи коэффициент двигател ;

Qi - расход промывочном жидкости, определ емый параметрами насоса,

QB - базисный расход определ емый типом забойного ДВИГЗТРЛЯ

Интегриру  систему дифференциальных уравнений, описывающую модель рзбо- 1 ы циркул ционной системы промывки скважин, получают решени  относительно оптимальных значений расходов и нагрузок на долоте в виде графических зависимостей:

Q Fi(H); G F2(H),(3)

представленный на фиг 1, 2 криволинейными област ми, уточненных экспериментальными данными, которые расшир ют эти области.

Анализ полученных решений вы вил основные тенденции изменени  параметров системы, в том числе собственных частот колебаний давлени  (фиг.З), на основе которых рассчитаны параметры системы, самонастраивающейс  к резонансу.

Генерируема  энерги  потока, согласно уравнению частотной энергии, имеет вид:

dNw - WkdWk + ZV .(A,, f,, FB), (4)

тем самым устанавливаетс  св зь амплитудными и частотными составл ющими пульсационного процесса.

Дл  реализации разработанной системы управлени  процессом бурени  при условиистабилизацииработы циркул ционной системы используетс  насосна  система, обеспечивающа  переменную подачу промывочной жидкости по заданному закону (фиг.1) и автоматическа  система подачи нагрузки на долоте согласно заданному закону (фиг.2).

Дл  реализации квззирезонансного режима используетс  турбобур или винтовой забойный двигатель с зубковым долотом со- ответствующего диаметра, завис щего от глубины скважины. Следует учесть, что долота по определенному закону создают пульсации в суспензии призабойной зоны:

fe (О IZuj,(5)

где I передаточна  функци  от забойного двигател  к долоту;

со- частота вращени  долота;

Zm - число зубцов долота.

Зубок долота, кроме определенного воздействи  на породу, создает двойной волновой эффект: при входе в породу-удар- ное воздействие, и при выходе из породы - волну разрежени .

Скорость распространени  малых возмущений , соответствующих скорости распространени  в данной среде, зависит от свойств горной породы или суспензии призабойной зоны, поэтому составл ющие возмущений (пульсаций) на забое имеют широкий переменный спектр.

Если буэение осуществиетс  а устойчивых геологических разрезгл., то частоть

колебаний давлени  собственнее fi ак и вынужденные fb не должны превышав 100 Гц. При проходе неустойчивых геологических разрезов частоты колебаний 5 ни  допускают значени  пмние 100 Ги Однако резонансное условие (1) по-прочному должно выполн тьс .

Процесс стабилизации работы циокупч- ционной системы промывки скважины со0 гласно результатам (, , вариант 1) создает условие дл  -ивышекич долговечности оборудовани  на 100% с по вышением механической скорости бур°кип на относительно известно с спсссбл

5 бурени .

В варианте 1 таблицы приведены ое- зультаты noom- Словых испытании, сн- ных при использовании известного способа бурени  скважины и предла1аемого способа

0 с гидромониторной промывкой забол ть условии стабилизации работы цирю/л циоа- :,cTi c/iCT6i% 1,1

Варианты 2 ч 3 табтицы пог 5ЫВсМОт результаты испыгачич прецлагаемогс спп5 соба бурени  с оазирезонансмэй системой промывки забо  относительно кзвеснюпз способа бурени  адекватные геоло мческих разрезов.

Основыва сь ьа резульггтех поогедсн

0 ных испытаний, автор сиптивзег томакс малоиый эффект от ИСРОЛЬЗОРЗНИ управл емого процесса бурен -л кзазиго i резонансной с .стемой злб -л скважин може гбыгь пол си гг н i -r h-

5 режимных параметров, спсткетствующ расчетным (фиг. I, 2)удовлетвоо юи1и /,о ви м оптимального бурен гическим услови м

Таким образом, име  о пиа то з

0 оборотные урбобуры создают чьт.о стотный режим промывка, п необхс г j использовать при бурении неустойм, гы - пород - хрупких глин, песчанико Винтт- вые забойные двигатели способс-ел ют с«

5 зданию низкочастотных собствен колебаний в систене (фиг 3), поэтому п pf- комендуетс  использовать при - рсхгц в зкопластичных пооод.

Кроме того, разработанный t рени  забойным двигателем го гласно заложенной модели v- ).зпеь процессом бурени , создчеат - i, ные диффере). дизпькое дапле. не мч с х .и перепад давлени  на долоте, з лл , oi

5 тимальные гидродинамические л буровое оборудование, что значит -и о1 i личиваст сроки службы оборудг прч . г вых установок.

Один цикл ликвь д цщ 1 авапч ч v ,- аций совместно с простоем буровой о :f iji

ваетс  приблизительно в миллион рублей. На фиг.7 представлены экспериментельные зависимости механической скорости бурени  от режимных параметров бурени  дл  глубины забо  2300: частоты о вращени  долота или забойного двигател , нагрузки G на породоразрушающем инструменте, расхода Q бурового раствора, из которых следует , что при попадании значений этих параметров в область резонанса получают резкий прирост показателей бурени .

(56) Вадецкий Ю.В. Бурение нефт ных и газовых скважин, 1984, Недра (Москва), с.49-61.

Патент США №3405770,(прототип).

Claims (4)

1. СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ, заключающийс  во вращении породоразру- шающего инструмента и подаче на забой скважины промывочной жидкости, циркулирующей в замкнутой гидравлической системе , в которой на забое генерируютс  колебани  от внешнего источника, отличающийс  тем, что. с целью повышени  с ко- рости бурени  при повышении надежности и долговечности бурового оборудовани , вращение породоразрушающего инструмента производ т с посто нной частотой, пропорциональной нагрузке на нем и рас- ходу промывочной жидкости, при этом на

забое создают вынужденные колебани , фаза которых совпадает с фазой собственных колебаний гидравлической системы.

2.Способ по п.1, отличающийс  тем, что генерируют частоту вынужденных колебаний давлени , не превышающую 100 Гц.

3.Способ по п.1, отличающийс  тем что генерируют частоту вынужденных колебаний давлени , превышающую 100 Гц.

4.Способ по пп. 1-3, отличающийс  тем, что отношение частот собственных и вынужденных колебаний давлени  промывочной жидкости выражаетс  числами натурального р да.

fffffff

«Г

№ju 7

« от

N 7

0001

I

Ш1Ш

О

0001

о

ог

№

оь os

QQQS 0002

ffffOl

HI

n

r SI

ог

sz

0Ј Л1

3/sWV

rФигл

ФИГ.5

/

Ш,Гц

//////////////,

-J

+(

Я(м/час)

2222&Ј Ј2

WZ /Z /S/ZZs

I (t)(°5/K;