RU2439271C1

RU2439271C1 - Method of axial load generation for horizontal well hole and device for method implementation

Info

Publication number: RU2439271C1
Application number: RU2010124483/03A
Authority: RU
Inventors: Александр Яковлевич Третьяк (RU); Александр Яковлевич Третьяк; Анна Евгеньевна Асеева (RU); Анна Евгеньевна Асеева; Юрий Федорович Литкевич (RU); Юрий Федорович Литкевич; Александр Александрович Третьяк (RU); Александр Александрович Третьяк
Original assignee: Александр Яковлевич Третьяк; Юрий Федорович Литкевич
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2012-01-10

Abstract

FIELD: gas and oil production. ^ SUBSTANCE: device includes bottomhole engine and drilling tool connected to drilling pipes, one or more units in sequence including starter and power hydrocylinders with their hollow stocks connected to slide valve, and power hydrocylinder of each unit joined to the next unit or bottomhole engine by spline or square pipe. Method of axial load generation for horizontal well bottomhole involves axial load generation for drilling tool, destruction of rock in the bottomhole and regular tool advance to bottomhole as the rock is crushed. Axial load for drilling tool is generated by one or more sequential units consisting of starter and power hydrocylinders with their hollow stocks connected to slide valve, and regular advance of drilling tool is implemented in cycles with length equal to the total run length for each power hydrocylinder. ^ EFFECT: extended length range of horizontal wellbore drilling and enhanced drilling speed. ^ 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области газо- и нефтедобычи и может найти применение в бурении горизонтальных скважин с большим горизонтальным смещением забоя относительно устья, когда вертикальная составляющая собственного веса колонны бурильных труб или усилие инжектора колтюбинговой установки не достаточны для создания технологически требуемой величины осевой нагрузки на буровой инструмент.The invention relates to the field of gas and oil production and can find application in drilling horizontal wells with a large horizontal displacement of the bottom relative to the wellhead, when the vertical component of the own weight of the drill pipe string or the injector force of the coiled tubing installation is not sufficient to create the technologically required value of the axial load on the drilling tool.

Известен классический способ создания осевой нагрузки на забой, связанный с периодической подачей бурового инструмента путем последовательного опускания колонны бурильных труб в процессе бурения по мере разрушения буровым инструментом породы на забое (см. Элияшевский И.В., Стронский М.Н., Орсуляк Я.М. Типовые задачи и расчеты в бурении. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1982. - С.129-133). Недостатком такого способа при бурении горизонтальных скважин с большим смещением забоя является разница между вертикальной составляющей веса колонны, используемой для создания нагрузки на забой, и силами трения труб о стенки скважины на криволинейном и горизонтальном участках ствола, в результате чего осевая нагрузка не достигнет забоя и бурение не может быть продолжено.There is a classical method for creating an axial load on the face associated with the periodic supply of the drilling tool by successively lowering the drill pipe string while drilling as the rock tool destroys the rock at the bottom (see Eliyashevsky I.V., Stronsky M.N., Orsulyak Y. M. Typical tasks and calculations in drilling. - 2nd ed., Revised and additional - M .: Nedra, 1982. - S.129-133). The disadvantage of this method when drilling horizontal wells with a large displacement of the bottomhole is the difference between the vertical component of the weight of the column used to create the load on the bottom and the friction forces of the pipes against the walls of the well in the curved and horizontal sections of the trunk, as a result of which the axial load does not reach the bottom and drilling cannot be continued.

Известны гидравлические нагружатели МПД, выпускаемые НПО «Буровая техника» для всех диаметров (55-240 мм) компоновки низа бурильной колонны, а также дифференцированный гидравлический усилитель давления на долото ДГИ и секционный дифференциальный гидравлический нагружатель и гаситель колебаний ДГИ и ГК-195 производства ООО ПФК «Недра-с». В этих устройствах осевая нагрузка на забойный двигатель и долото образуется за счет перепада давления на поршнях гидроцилиндров-нагружателей. Величина осевой нагрузки регулируется сменными насадками. При прохождении бурового раствора через насадки с малым проходным сечением (дроссели) возникает перепад давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров-нагружателей, вследствие чего на поверхности поршней возникает гидравлическое усилие, которое передается на полый вал и создает осевую нагрузку на забойный двигатель и буровой инструмент. Недостатком таких устройств является то, что осевое усилие на буровой инструмент создается при любом перепаде давления в поршневой и штоковой полости гидроцилиндра и даже при неработающем забойном двигателе, а подавать осевую нагрузку на неработающий буровой инструмент не рекомендуется.Known hydraulic MPD loaders produced by NPO Burovaya Technika for all diameters (55-240 mm) of the bottom of the drill string, as well as a differentiated hydraulic pressure intensifier on the DGI bit and a sectional differential hydraulic loading device and vibration damper DGI and GK-195 manufactured by PFK LLC "Nedra-s." In these devices, the axial load on the downhole motor and the bit is formed due to the pressure drop on the pistons of the hydraulic cylinders-loaders. The magnitude of the axial load is regulated by interchangeable nozzles. When drilling fluid passes through nozzles with a small bore (chokes), a pressure differential occurs in the piston and rod cavities of the hydraulic cylinders-loaders, as a result of which hydraulic force arises on the surface of the pistons, which is transmitted to the hollow shaft and creates an axial load on the downhole motor and the drilling tool. The disadvantage of such devices is that the axial force on the drilling tool is created at any pressure drop in the piston and rod cavity of the hydraulic cylinder and even when the downhole motor is idle, and it is not recommended to apply axial load to the idle drilling tool.

Известны также способ создания осевой нагрузки на забой и устройство для его осуществления (см. Патент РФ на изобретение №4385625/03), принятые в качестве прототипа. Сущность способа заключается в том, что осевую нагрузку создают силовым гидроцилиндром с поршнем при неподвижной бурильной колонне, а периодическую подачу бурового инструмента осуществляют импульсами. Силовой гидроцилиндр соединен с бурильными трубами посредством шлицевой насадки. Поршневые полости одного или нескольких последовательно установленных поршней постоянно соединены с промывочной жидкостью через радиальные калиброванные отверстия в штоке, и, следовательно, осевая нагрузка на буровом инструменте создается при любом перепаде давления промывочной жидкости во внутритрубном и в затрубном пространстве, и даже тогда, когда забойный двигатель еще не работает. Недостатком такого способа создания осевой нагрузки на забой и устройства для его осуществления является то, что осевое усилие на буровой инструмент создается при любом перепаде давления в поршневой и штоковой полости гидроцилиндра и даже при неработающем забойном двигателе, а подавать осевую нагрузку на неработающий буровой инструмент не рекомендуется.There is also known a method of creating an axial load on the face and a device for its implementation (see RF Patent for the invention No. 4385625/03), adopted as a prototype. The essence of the method lies in the fact that the axial load is created by a power hydraulic cylinder with a piston with a stationary drill string, and periodic supply of the drilling tool is carried out by pulses. The power hydraulic cylinder is connected to the drill pipes by means of a splined nozzle. Piston cavities of one or several successively installed pistons are constantly connected to the flushing fluid through radial calibrated holes in the rod, and therefore, the axial load on the drilling tool is created at any pressure drop of the flushing fluid in the annulus and in the annulus, and even when the downhole motor not working yet. The disadvantage of this method of creating an axial load on the face and a device for its implementation is that the axial force on the drilling tool is created at any pressure drop in the piston and rod cavity of the hydraulic cylinder and even when the downhole motor is idle, and it is not recommended to apply the axial load to the idle drilling tool .

Задачей изобретения является повышение эффективности бурения горизонтальных скважин за счет создания технологически необходимой осевой нагрузки на забой, а также обеспечения стабилизации величины этой нагрузки во времени.The objective of the invention is to increase the efficiency of drilling horizontal wells by creating technologically necessary axial load on the bottom, as well as ensuring stabilization of the magnitude of this load over time.

Задача изобретения достигается тем, что увеличение осевой нагрузки на забой производится за счет сил упругости сжатия бурильной колонны, удерживаемой трением о стенки ствола скважины, для чего над долотом и забойным двигателем устанавливается устройство, создающее в нужное время осевую нагрузку заданной величины. Причем устройство включает один или несколько последовательно соединенных блоков, состоящих из пускового и силового гидроцилиндров, полые штоки которых соединены золотником, а силовой гидроцилиндр каждого блока соединен с последующим блоком или с забойным двигателем посредством шлицевой или квадратной трубы. Периодическая подача бурового инструмента осуществляется циклами, которые имеют длину, равную сумме длин хода каждого силового гидроцилиндра.The objective of the invention is achieved in that the increase in the axial load on the bottom is due to the elastic forces of compression of the drill string, held by friction against the walls of the borehole, for which a device is installed above the bit and the bottomhole motor, which creates an axial load of a given value at the right time. Moreover, the device includes one or more series-connected blocks, consisting of starting and power hydraulic cylinders, the hollow rods of which are connected by a spool, and the power hydraulic cylinder of each block is connected to the subsequent block or to the downhole motor through a splined or square pipe. Periodic supply of the drilling tool is carried out in cycles that have a length equal to the sum of the stroke lengths of each power hydraulic cylinder.

Продолжительность цикла непрерывной работы бурового инструмента L_ц будет равна суммарной величине перемещений штоков всех силовых гидроцилиндров:The duration of the cycle of continuous operation of the drilling tool L _C will be equal to the total amount of displacement of the rods of all power hydraulic cylinders:

,

где n - количество последовательно соединенных блоков, состоящих из пускового и силового гидроцилиндров;where n is the number of series-connected blocks consisting of starting and power hydraulic cylinders;

l_x - перемещение штока одного силового гидроцилиндра.l _x - the movement of the rod of one power hydraulic cylinder.

Осевая нагрузка на забой создается, когда забойный двигатель после промывки призабойной зоны пласта (ПЗП) обеспечит буровому инструменту необходимые обороты.The axial load on the face is created when the downhole motor after washing the bottomhole formation zone (PZP) provides the drilling tool with the necessary speed.

Сравнение показывает, что предлагаемое техническое решение отличается от известных использованием пускового гидроцилиндра с золотником, позволяющего осуществлять промывку ПЗП, проработку бурового инструмента и форсированный режим бурения при работе силового гидроцилиндра. Такие элементы в известных технических решениях не используются, что позволяет сделать вывод о наличии критерия «существенные отличия».Comparison shows that the proposed technical solution differs from the known ones by using a starting hydraulic cylinder with a spool, which allows flushing of the BCP, drilling tool development and forced drilling mode during operation of the power hydraulic cylinder. Such elements are not used in known technical solutions, which allows us to conclude that there is a criterion of "significant differences".

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2.The invention is illustrated in figures 1 and 2.

На фиг.1 показан профиль скважины с горизонтальным участком СД в продуктивном пласте.Figure 1 shows the profile of the well with a horizontal section of DM in the reservoir.

На фиг.2 представлено устройство для создания осевой нагрузки на забой (забойный двигатель и долото предметом изобретения не являются).Figure 2 presents a device for creating an axial load on the face (downhole motor and bit are not the subject of the invention).

При бурении ствола скважины с большим горизонтальным смещением забоя относительно устья, имеющей вертикальную часть ствола ОА глубиной Н₁, наклонную АБ глубиной Н₂ и углом набора радиуса кривизны α, криволинейную БС с радиусом искривления R и горизонтальную СД, входящую в пласт мощностью m на глубине Н, возникает ситуация, когда вертикальная составляющая собственного веса колонны бурильных труб или усилие инжектора колтюбинговой установки не достаточны для создания технологически требуемой величины осевой нагрузки на буровой инструмент.When drilling a borehole with a large horizontal displacement of the bottom relative to the wellhead, having a vertical part of the trunk OA with a depth of H ₁ , an inclined AB with a depth of H ₂ and an angle of set of radius of curvature α, a curved BS with a radius of curvature R and a horizontal SD entering a formation with a thickness m at depth N, a situation arises when the vertical component of the self-weight of the drill pipe string or the injector force of the coiled tubing installation is not sufficient to create the technologically required value of the axial load on the drilling tool nt.

Устройство для создания необходимой осевой нагрузки, расположенное в наддолотной части бурильной колонны, состоит из корпуса пускового гидроцилиндра 1, соединенного муфтой 2 с корпусом силового гидроцилиндра 3. Пусковой гидроцилиндр 1 включает поршень 4 на полом штоке 5 и пружину 6. В корпусе силового гидроцилиндра 3 закреплен золотник 7, в котором состыкованы полые штоки 5 и 8 соответственно силового 3 и пускового 1 гидроцилиндров. В штоке 8 имеется радиальный канал 9, соединяющий поршневую полость силового гидроцилиндра 3 с затрубной промывочной жидкостью. Штоковые полости силового гидроцилиндра 3 и пускового гидроцилиндра 1 через радиальные каналы 10 (или обратные клапаны) также соединяются с затрубной промывочной жидкостью. Шток 8 нижним концом соединен с квадратной (шлицевой) трубой 11, защищенной при выдвижении от контакта с затрубной промывочной жидкостью кожухом 12. Нижняя часть квадратной трубы 11 заканчивается либо корпусом пускового гидроцилиндра 1, к которому присоединяется следующий силовой гидроцилиндр, либо резьбой для соединения с забойным двигателем 13.A device for creating the necessary axial load, located in the supra-bit part of the drill string, consists of the housing of the starting hydraulic cylinder 1, connected by a sleeve 2 to the housing of the power hydraulic cylinder 3. The starting hydraulic cylinder 1 includes a piston 4 on the hollow stem 5 and a spring 6. In the housing of the hydraulic hydraulic cylinder 3 is fixed spool 7, in which the hollow rods 5 and 8 are connected, respectively, of power 3 and start 1 of hydraulic cylinders. In the rod 8 there is a radial channel 9 connecting the piston cavity of the power hydraulic cylinder 3 with the annular flushing fluid. The rod cavities of the power hydraulic cylinder 3 and the starting hydraulic cylinder 1 through the radial channels 10 (or check valves) are also connected to the annular flushing fluid. The rod 8 is connected with a lower end to a square (slotted) pipe 11, protected by a casing 12 when extended from contact with the annular flushing fluid. The lower part of the square pipe 11 ends either with the housing of the starting hydraulic cylinder 1, to which the next power hydraulic cylinder is connected, or with a thread for connecting to the bottomhole engine 13.

Показанный на фиг.2 фрагмент I, включающий забойный двигатель 13, переводник 14 и долото 15, не являются предметом изобретения.Shown in figure 2, fragment I, including a downhole motor 13, a sub 14 and a bit 15, are not the subject of the invention.

Предлагаемый способ создания осевой нагрузки на забой горизонтальной скважины реализуется следующим образом. В расчетном месте колонны выше долота 15 и забойного двигателя 13 устанавливается блок из пускового 1 и силового 3 гидроцилиндров, полые штоки 5 и 8 которых соединены золотником (или несколько последовательно расположенных блоков). Перед началом бурения при постепенном возрастании внутритрубного давления происходит промывка ПЗП. При дальнейшем росте давления, когда перепад давления на забойном двигателе 13 станет достаточным для начала его работы, начинается проработка долота 15 без осевой нагрузки. В дальнейшем, когда внутритрубное давление достигает расчетного значения и забойный двигатель 13 наберет номинальное число оборотов и достаточный для бурения крутящий момент, пусковой гидроцилиндр 1 сожмет пружину 6 и вытолкнет из золотника 7 шток 8 силового гидроцилиндра 3. Гидравлическая сила, создаваемая в силовом гидроцилиндре 3 за счет перепада давления в трубах и затрубном пространстве и соответственно за счет перепада давления в поршневой и штоковой полостях, обеспечит нагружение бурового инструмента осевой нагрузкой по мере перемещения поршня 16 на величину хода l_x. Продолжительность цикла непрерывной работы бурового инструмента L_ц определяется количеством n последовательно соединенных силовых гидроцилиндров 3. Когда при полном выдвижении силовых гидроцилиндров 3 процесс разрушения забоя прекратится и вес колонны по наземному гидравлическому индикатору веса (ГИВ) уменьшится на величину, большую суммы сил трения колонны о стенки скважины, производится выключение буровых насосов (как вариант - сброс давления) и колонна тормозом лебедки (или инжектором колтюбинга) подается на забой до величины, соответствующей первоначальным показаниям ГИВ. Возникающий при этом импульс осевой нагрузки перемещается по направлению к забою и из-за превышения суммы сил трения о стенки скважины вынуждает поршень 16 и квадратную трубу 11 вдвигаться в корпус силового гидроцилиндра 3, занимая исходное положение. Цикл можно повторять.The proposed method of creating an axial load on the bottom of a horizontal well is implemented as follows. In the calculated position of the column above the bit 15 and the downhole motor 13, a block of starting 1 and power 3 hydraulic cylinders is installed, the hollow rods 5 and 8 of which are connected by a slide valve (or several blocks in series). Before the start of drilling, with a gradual increase in pipe pressure, the flushing of the BCP occurs. With a further increase in pressure, when the pressure drop across the downhole motor 13 becomes sufficient to start its operation, the development of the bit 15 begins without axial load. Subsequently, when the in-pipe pressure reaches the calculated value and the downhole motor 13 picks up the nominal speed and sufficient torque for drilling, the starting hydraulic cylinder 1 will compress the spring 6 and push rod 8 of the power hydraulic cylinder 3 out of the spool 7. The hydraulic force generated in the power hydraulic cylinder 3 due to the pressure drop in the pipes and the annulus and, accordingly, due to the pressure drop in the piston and rod cavities, it will provide loading of the drilling tool with axial load as Piston piston 16 for the stroke l _x The duration of the cycle of continuous operation of the drilling tool L _c is determined by the number n of power cylinders connected in series 3. When the power hydraulic cylinders 3 are fully extended, the face destruction process stops and the weight of the column by the ground hydraulic weight indicator (GIV) decreases by a value greater than the sum of the friction forces of the column against the walls wells, the mud pumps are turned off (as an option - pressure relief) and the column is delivered to the bottom by the brake of the winch (or coiled tubing injector) to the value corresponding to etstvuyuschey initial indications GIVE. The resulting axial load impulse moves towards the bottom and, due to the excess of the sum of the friction forces against the borehole wall, forces the piston 16 and square pipe 11 to move into the housing of the power hydraulic cylinder 3, occupying the initial position. The cycle can be repeated.

Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет использовать для создания осевой нагрузки на долото упругую силу сжатия бурильной колонны и силы трения колонны о стенки скважины, что расширяет технологические возможности бурения горизонтальных стволов скважин по длине и, кроме того, позволяет увеличить скорость бурения за счет увеличения осевой нагрузки до ее предельно допустимых значений.Thus, the implementation of the proposed method allows to use the elastic compression force of the drill string and the friction force of the string against the borehole walls to create axial load on the bit, which extends the technological capabilities of drilling horizontal boreholes along the length and, in addition, allows to increase the drilling speed by increasing the axial load to its maximum permissible values.

Claims

1. The method of creating an axial load on the bottom of a horizontal well, including creating an axial load on the drilling tool, breaking the rock at the bottom of the well and periodically feeding the tool to the bottom as the rock breaks, characterized in that the axial load on the drilling tool is created by one or more successively located blocks consisting of starting and power hydraulic cylinders, the hollow rods of which are connected by a spool, and the periodic supply of the drilling tool is carried out in cycles equal to the total length ling each stroke of the power cylinder.

2. A device for creating an axial load on the bottom of a horizontal well, comprising a downhole motor and a drilling tool associated with drill pipes, characterized in that it includes one or more successively arranged blocks consisting of starting and power hydraulic cylinders, the hollow rods of which are connected by a spool, and the power hydraulic cylinder of each block is coupled to a subsequent block or to a downhole motor by means of a splined or square pipe.