RU2133813C1

RU2133813C1 - Method for drilling superdeep bore-holes

Info

Publication number: RU2133813C1
Application number: RU97111605A
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Скворцов; В.П. Логунов; Ю.С. Кузнецов; М.Р. Мавлютов; В.Н. Никифоров
Original assignee: Скворцов Юрий Петрович; Логунов Владимир Павлович; Кузнецов Юрий Степанович; Мавлютов Мидхат Рахматуллич; Никифоров Владимир Николаевич
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 1999-07-27

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: method relates to technology of drilling deep and superdeep bore-holes. According to method, lowered into bore-hole preliminarily filled with washing fluid is drilling tool which is not filled with fluid. Washing fluid is continuously or periodically added up to bore-hole head. Adding of fluid is started when external pressure is less than crushing pressure P_ex< P_c. At reaching of depth equal to 2500 m, adding of fluid inside drilling string is discontinued. Drilling tool which is not filled with fluid to aforesaid height is lowered to bottom hole, productive bed is drilled up, washing with fluid is continued with subsequent pressure-forcing it down from top to bottom through drilling pipes, sludge catching pipe, lock-turning valve, throttle, and drilling bit with application of special catchers and movable valve up to stopping of inflow of fluid into drilling pipes from annular space. After that, drilling tool freed from washing fluid is lifted up. Application of aforesaid method allows for reaching required depth of drilling superdeep bore-holes together with reduction of material and power cost. EFFECT: higher efficiency. 5 cl

Description

Изобретение относится к горному делу, в частности к технологии бурения глубоких и сверхглубоких скважин. The invention relates to mining, in particular to a technology for drilling deep and superdeep wells.

Традиционные методы бурения сверхглубоких скважин направлены на решение проблемы облегчения и упрочнения бурильных труб за счет применения ступенчатых бурильных колонн, титановых труб. По традиционной технологии бурения углубление скважины достигается разрушением горной породы забоя долотом, находящимся под осевой нагрузкой. Шлам разрушенной породы непрерывно удаляется буровым раствором, подаваемым с поверхности буровым насосом через бурильные трубы на забой и поднимающимся вместе со шламом по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины на поверхность, а после очистки вновь поступающим в приемную емкость буровых насосов. Traditional methods of drilling super-deep wells are aimed at solving the problem of facilitating and strengthening drill pipes through the use of stepped drill strings, titanium pipes. According to traditional drilling technology, deepening of the well is achieved by destroying the rock of the face with a bit under axial load. The cuttings sludge is continuously removed by the drilling fluid supplied from the surface by the mud pump through the drill pipes to the bottom and rising together with the slurry along the annular space between the drill pipes and the borehole walls to the surface, and after cleaning, they again enter the receiving capacity of the drilling pumps.

Затраты энергии на такую промывку велики. Долота после изнашивания поднимаются на бурильных трубах, а новые на бурильных же трубах спускаются на забой, бурильные трубы рвутся от собственного веса, так как обычно бурильная колонна и кольцевое пространство полностью заполнены одной и той же промывочной жидкостью и потому архимедова сила действует соответственно объему металла бурильных труб, находящихся в скважине. Однако это облегчение для стальных труб относительно невелико и при бурении сверхглубоких скважин прочность бурильных труб предопределяет допустимую глубину бурения. The energy costs for such flushing are high. After wear, the bits rise on the drill pipes, and the new ones on the drill pipes descend to the bottom, the drill pipes break from their own weight, since usually the drill string and the annular space are completely filled with the same flushing fluid, and therefore the Archimedean force acts according to the volume of the drill metal pipes in the well. However, this relief for steel pipes is relatively small and when drilling ultra-deep wells, the strength of the drill pipes determines the permissible drilling depth.

Наиболее близким аналогом по отношению к заявляемому способу является способ бурения сверхглубоких скважин, включающий спуск в предварительно заполненную промывочной жидкостью скважину бурильного инструмента, разбуривание продуктивного пласта с обратной промывкой и постоянным доливом жидкости в затрубное пространство по мере падения уровня жидкости в упомянутом пространстве, подъем бурильного инструмента (см. авт.свид. СССР N 1331993, кл. E 21 B 21/00, 1987). Известный метод не решает проблемы бурения сверхглубокой скважины, в частности не обеспечивает достижения требуемой глубины проводки ствола скважины. The closest analogue with respect to the claimed method is a method of drilling super-deep wells, which includes running a drilling tool into a pre-filled with washing liquid, drilling a productive formation with back-flushing and constantly adding liquid to the annulus as the level of the liquid drops in the said space, raising the drilling tool (see ed. certificate of the USSR N 1331993, class E 21 B 21/00, 1987). The known method does not solve the problem of drilling an ultra-deep well, in particular, does not achieve the required depth of the wellbore.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение достижения требуемой глубины проводки ствола сверхглубоких скважин, снижение материальных и энергетических затрат. The aim of the invention is to ensure the achievement of the required depth of the trunk of the super-deep wells, reducing material and energy costs.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе бурения сверхглубоких скважин, включающем спуск в предварительно заполненную промывочной жидкостью скважину бурового инструмента, разбуривание продуктивного пласта с обратной промывкой и постоянным доливом жидкости в затрубное пространство по мере падения уровня жидкости в упомянутом пространстве и подъем бурового инструмента по окончании каждого долбления, согласно изобретению в скважину, предварительно заполненную промывочной жидкостью, спускают незаполненный жидкостью бурильный инструмент до глубины, определяемой прочностью бурильных труб на смятие внешним давлением жидкости, заполняющей кольцевое пространство между колонной бурильных труб и стенками скважины, после чего бурильный инструмент доливают до устья жидкостью и вновь продолжают его опускать с постоянным или дискретным доливом промывочной жидкостью, пока до забоя не останется порядка 2500 м, после чего долив прекращают и продолжают опускать бурильный инструмент до забоя, после достижения которого производят разбуривание продуктивного пласта с обратной промывкой за счет разности высоты столбов жидкости за колонной бурильных труб и внутри ее, в момент появления промывочной жидкости на устье бурильных труб, бурение прекращают и перед подъемом бурильного инструмента производят продавливание промывочной жидкости в затрубное пространство из бурильных труб воздухом, подаваемым от устья сверху вниз с применением установленных внутри бурильных труб через определенные интервалы специальных ловителей и подвижного клапана. The essence of the invention lies in the fact that in the known method of drilling ultra-deep wells, including the descent into a pre-filled with flushing fluid well of a drilling tool, drilling a reservoir with backwashing and constant topping up of the annulus as the fluid level drops in said space and the drilling tool rises at the end of each drilling, according to the invention, an unfilled fluid is lowered into a well previously filled with a washing liquid drill tool to a depth determined by the strength of the drill pipe to squeeze the external pressure of the fluid that fills the annular space between the drill pipe string and the walls of the well, after which the drill tool is refilled to the wellhead with fluid and continued to lower it with constant or discrete topping up with flushing fluid, until the face will not remain on the order of 2500 m, after which the topping is stopped and the drilling tool continues to be lowered until the face, after which it is drilled productively about the formation with backwashing due to the difference in the height of the liquid columns behind the drill pipe string and inside it, at the time the drilling fluid appears at the mouth of the drill pipe, drilling is stopped and before lifting the drilling tool, the drilling fluid is pushed into the annulus from the drill pipe with air supplied from mouth from top to bottom with the use of drill pipes installed inside the drill at regular intervals with special catchers and a movable valve.

Задача также достигается тем, что в скважину спускают бурильный инструмент в компоновке - долото, дроссель, запорно-поворотный клапан, расположенная внутри внизу бурильной колонны трубка шламоуловителя. The task is also achieved by the fact that a drilling tool is lowered into the well in the layout - a chisel, a throttle, a shut-off and rotary valve, a sludge trap located inside the bottom of the drill string.

Кроме этого, задача достигается тем, что продавливание воздухом промывочной жидкости осуществляют до тех пор, пока не прекратится вытекание жидкости из затрубного пространства. In addition, the task is achieved by the fact that the air is pushed by the flushing fluid until the flow of fluid from the annulus ceases.

Кроме этого, задача достигается тем, что в качестве промывочной жидкости используют глинистый раствор с плотностью, достаточной для предупреждения проявления, а плотность жидкости, заполняющей кольцевое пространство скважины, больше плотности жидкости в бурильной колонне. In addition, the task is achieved in that a clay solution with a density sufficient to prevent development is used as a flushing fluid, and the density of the fluid filling the annular space of the well is greater than the density of the fluid in the drill string.

Способ осуществляют следующим образом. В скважину, заполненную до устья промывочной жидкостью спускают в компоновке долото, ЗПК, дроссель. ЗПК закрыт, буровой инструмент пустой, спуск идет при минимальных нагрузках на талевую систему и лебедку на высоту, определяемую прочностью бурильных труб на смятие внешним давлением жидкости, заполняющей кольцевое пространство между бурильной колонной и стенками скважины от забоя до устья

где ρ_q плотность промывочной жидкости в кольцевом пространстве в интервале бурильной колонны, не заполненной жидкостью;
K - коэффициент, K < 1.The method is as follows. In the well, filled to the mouth with flushing fluid, a bit, a choke, a choke are lowered into the arrangement. ZPK is closed, the drilling tool is empty, the descent is carried out with minimal loads on the tackle system and the winch to a height determined by the strength of the drill pipes to squeeze the external pressure of the fluid filling the annular space between the drill string and the borehole walls from the bottom to the mouth

where ρ _{q the} density of the drilling fluid in the annular space in the interval of the drill string, not filled with fluid;
K is the coefficient, K <1.

Спустив, например 2500 метров, когда инструмент доливают до устья и вновь продолжают спуск до тех пор, пока не останется допускать до забоя 2500 м. В это время долив внутрь бурильных труб прекращают и продолжают спуск инструмента до забоя. Дойдя до забоя, нагрузив долото, начинают вращать бурильный инструмент, при этом открывается запорно-поворотный клапан (ЗПК) и жидкость из затрубного пространства бурильной колонны через долото, дроссель, ЗПК начинает поступать внутрь бурильной колонны, то есть идет бурение с обратной промывкой за счет разности высоты столбов жидкости за бурильной колонной и внутри ее. По мере падения уровня жидкости в затрубном пространстве ее постоянно доливают из доливной емкости. Бурение идет до тех пор, пока не появится жидкость на устье бурильных труб. Для более четкого улавливания этого момента, а также для более интенсивного перетока из затрубного пространства через долото внутрь бурильных труб доливную жидкость в затрубном пространстве берут большей плотности, чем вся жидкость в скважине. Это обуславливает больший эффект выталкивания бурильных труб при их подъеме. Having lowered, for example, 2,500 meters, when the tool is added to the mouth and continued to descend until it remains to allow 2,500 m to the bottom. At this time, topping up the drill pipes is stopped and the tool continues to descend to the bottom. Having reached the bottom, having loaded the bit, they begin to rotate the drilling tool, and the shut-off valve (ZPK) opens and the fluid from the annulus of the drill string through the bit, the throttle, the ZPK begins to enter the drill string, that is, drilling with backwashing due to the difference in the height of the liquid columns behind the drill string and inside it. As the liquid level drops in the annulus, it is constantly added from the filling tank. Drilling continues until fluid appears at the mouth of the drill pipe. For a clearer capture of this moment, as well as for a more intensive flow from the annulus through the bit into the drill pipe, the topping up fluid in the annulus takes a higher density than all the fluid in the well. This leads to a greater effect of pushing drill pipes during their lifting.

В целях предотвращения затруднения движения частичек породы внутрь бурильных труб, в случае, когда шлам не сможет подниматься вверх из-за небольшой скорости восходящего потока жидкости в трубах, так как расход жидкости будет незначительный, над ЗПК устанавливают внутритрубный шламоуловитель. Шлам оседает в кольцевом пространстве между трубкой длиной 10-15 м с внутренним диаметром 15-18 мм с открытым верхним концом, вставленной концентрично внутри бурильных труб и опирающейся нижним концом на корпус ЗПК. Скорость движения жидкости, поступающей из затрубного пространства внутрь трубки всегда будет достаточной для движения шлама вверх. На выходе из трубки скорости движения жидкости резко снижается (увеличивается сечение потока от 3 см² до 80-100 см² в полости бурильных труб), шлам выпадает в кольцевую полость между внутренней поверхностью бурильных труб и наружной поверхностью трубки шламоуловителя.In order to prevent obstruction of the movement of particles of rock inside the drill pipe, in the case when the sludge cannot rise up due to the low velocity of the upward fluid flow in the pipes, since the fluid flow will be insignificant, an in-line sludge trap is installed above the ZPC. The sludge settles in the annular space between the tube 10-15 m long with an internal diameter of 15-18 mm with an open upper end inserted concentrically inside the drill pipe and resting its lower end on the ZPK case. The velocity of fluid flowing from the annulus into the tube will always be sufficient to move the sludge up. At the outlet of the tube, the fluid velocity decreases sharply (the flow cross section increases from 3 cm ² to 80-100 cm ² in the cavity of the drill pipe), the sludge falls into the annular cavity between the inner surface of the drill pipe and the outer surface of the sludge trap tube.

По окончании бурения (до выравнивания столбов жидкости или до появления жидкости на поверхности бурильных труб) проводят подъем бурового инструмента, при этом еще до спуска бурового инструмента внутри бурильных труб через определенные интервалы устанавливают специальные ловители подвижного клапана. Верхний ловитель устанавливают на глубине 2500-3000 м от устья, последующие - через такие же промежутки друг от друга. Перед подъемом бурового инструмента внутри колонны бурильных труб устанавливают специальный подвижный клапан, подсоединяют компрессор высокого давления и осуществляют продавливание промывочной жидкости сверху вниз по бурильным трубам, трубке шламоуловителя, ЗПК, дросселю, долоту в затрубное пространство. Продавливание осуществляют до пор, пока подвижный клапан не войдет в ловитель и не зафиксируется в нм. Этот момент фиксируется по прекращению вытекания жидкости из затрубного пространства и по более быстрому увеличению давления на монометре компрессора. Верхняя часть колонны бурильных труб после продавливания будет пустой, облегчение колонны тем больше, чем на большей глубине установлен ловитель, а это в свою очередь зависит от мощности компрессора, максимально развиваемого давления, а также от плотности жидкости; находящейся в затрубном пространстве в интервале глубин O-установка ловителя. At the end of drilling (until the liquid columns are aligned or until liquid appears on the surface of the drill pipe), the drilling tool is lifted, and before moving the drilling tool down inside the drill pipe, special movable valve catchers are installed at regular intervals. The upper catcher is installed at a depth of 2500-3000 m from the mouth, the subsequent ones - at the same intervals from each other. Before lifting the drilling tool, a special movable valve is installed inside the drill pipe string, a high-pressure compressor is connected, and flushing fluid is pushed down from the drill pipes, sludge trap tube, ZPK, throttle, and a bit into the annulus. Punching is carried out until the movable valve enters the trap and is not fixed in nm. This moment is recorded by the termination of the flow of fluid from the annulus and by a more rapid increase in pressure on the compressor monometer. The upper part of the drill pipe string will be empty after punching, the lightening of the string is the greater the deeper the trap is installed, and this, in turn, depends on the compressor capacity, maximum pressure developed, and also on the density of the fluid; located in the annulus in the depth interval O-installation of the catcher.

Пример. Ловитель установлен на глубине 2500 м, жидкость за колонной имеет плотность 1,25 г/см³, а буровой инструмент имеет внутренний диаметр D_вн = 120 мм, P = 0,785 • d² • 2500 • 1,25 = 35,3 т при D_вн = 150 мм снижение веса колонны будет P = 0,785 • d² • 2500 • 1,25 = 55,2 т.Example. The catcher is installed at a depth of 2500 m, the liquid behind the column has a density of 1.25 g / cm ³ , and the drilling tool has an internal diameter of D _ext = 120 mm, P = 0.785 • d ² • 2500 • 1.25 = 35.3 t at D _ext = 150 mm the reduction in the weight of the column will be P = 0.785 • d ² • 2500 • 1.25 = 55.2 tons

После поднятия верхней части бурильной колонны вместе с первым ловителем для облегчения подъема второй части вновь продавливают воздухом промывочную жидкость, клапан при продавливании входит в ловитель, раздвигает подпружиненный цанговый захват и когда проточка на штоке совпадает с цангой на ловителе, клапан фиксируется в этом положении. Герметичность достигается за счет уплотнения. After raising the upper part of the drill string, together with the first catcher, to flush the second part, the flushing fluid is again pushed with air, the valve enters the catcher during punching, expands the spring-loaded collet grip and when the groove on the rod coincides with the collet on the catcher, the valve is fixed in this position. Tightness is achieved by sealing.

Облегчение колонны на несколько десятков тонн дает возможность углубить скважину до проекта, в случае с Кольской СГ-3 этот запас по весу позволит довести скважину до проектной глубины 15000 метров на существующем инструменте и оборудовании. Lightening the string by several tens of tons makes it possible to deepen the well to the project, in the case of the Kola SG-3, this reserve by weight will allow to bring the well to the design depth of 15,000 meters on existing tools and equipment.

Отказ от принудительной циркуляции промывочной жидкости с поверхности позволит снизить огромные энергетические и материальные затраты на промывку. The refusal of forced circulation of flushing fluid from the surface will reduce the huge energy and material costs of flushing.

Предлагаемый способ может быть использован в нефтедобывающей промышленности при бурении глубоких и сверхглубоких скважин. The proposed method can be used in the oil industry for drilling deep and superdeep wells.

Claims

1. A method of drilling ultra-deep wells, including the descent into a pre-filled with flushing fluid well of a drilling tool, drilling a productive formation with backwashing and constantly adding fluid to the annulus as the fluid level drops in said space, raising the drilling tool, characterized in that into the well lower the liquid-filled drilling tool to a depth determined by the strength of the drill pipe to be crushed by the external pressure of the fluid filling the ring the space between the drill pipe string and the walls of the borehole, after which the drilling tool is poured with liquid up to the wellhead and again it is lowered with constant or discrete topping up with flushing liquid until about 2500 m remains before the bottom, after which the drilling tool is stopped and continued to be lowered until the face, after which the drilling of the reservoir with backwashing due to the difference in the height of the liquid columns behind the drill pipe string and inside it, at the time of the appearance of the drill internal fluid on the mouth of the drill pipe, drilling is stopped and before lifting the boring tool produce punching flushing fluid into the annulus of the drill pipe by air supplied from the mouth downward with the application installed inside the drill pipe at regular intervals and specific catchers movable valve.

2. The method according to claim 1, characterized in that the drilling tool is lowered into the well in the arrangement - a chisel, a throttle, a shut-off and rotary valve located inside the bottom of the drill string sludge trap.

3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the punching of the washing liquid by air is carried out until the flow of liquid from the annulus ceases.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a clay solution with a density sufficient to prevent manifestation is used as a washing liquid.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the density of the fluid filling the annular space of the well is greater than the density of the fluid in the drill string.