RU2646651C1 - Method of monitoring the axial load to bit when drilling inclined well-directional wells with downhole drilling motor - Google Patents

Method of monitoring the axial load to bit when drilling inclined well-directional wells with downhole drilling motor Download PDF

Info

Publication number
RU2646651C1
RU2646651C1 RU2017102840A RU2017102840A RU2646651C1 RU 2646651 C1 RU2646651 C1 RU 2646651C1 RU 2017102840 A RU2017102840 A RU 2017102840A RU 2017102840 A RU2017102840 A RU 2017102840A RU 2646651 C1 RU2646651 C1 RU 2646651C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bit
drill string
load
drilling
axial load
Prior art date
Application number
RU2017102840A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Владимирович Двойников
Павел Александрович Блинов
Вячеслав Григорьевич Кадочников
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет"
Priority to RU2017102840A priority Critical patent/RU2646651C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2646651C1 publication Critical patent/RU2646651C1/en

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • E21B44/02Automatic control of the tool feed

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

FIELD: oil and gas industry.
SUBSTANCE: invention relates to drilling oil and gas wells. Method for monitoring the axial load on the bit when drilling obliquely directed wells, including determining the pressure at the standpipe of the drilling rig in the idle and operating modes of the screw downhole motor (bit over the face), characterized in that after starting the engine without load, when operating it in idling mode, the speed and torque are measured on the rotor Mp.x, then an axial load is applied to the bit and the rotational speed and torque are measured on the rotor Mp.p, and the actual axial load on the bit at the same speeds of rotation of the drill string under load and without load is determined by the mathematical formula given in the text of the description.
EFFECT: technical result is determination of actual axial load on the bit by calculating magnitude of friction force of drill string against borehole wall when drilling obliquely directed wells with screw downhole motors while rotating drill string.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин.The invention relates to the drilling of oil and gas wells.

Известен способ создания и контроля необходимой нагрузки на долото при бурении горизонтальных и наклонно направленных стволов с большими смещениями забоев от устья скважин (патент RU №2313667, опубл. 27.12.2007 г.), включающий определение рабочего момента на валу двигателя по величине необходимой нагрузки на долото и удельного его момента, достаточного для вращения породоразрушающего инструмента под необходимой нагрузкой на долото. По характеристике винтового забойного двигателя (ВЗД) находят перепад давления на двигателе при работе с рабочим моментом и в холостом режиме его работы, затем после спуска бурильного инструмента с долотом и ВЗД до забоя скважины и выравнивания параметров бурового раствора регистрируют давление на стояке буровой установки в холостом режиме работы ВЗД (долото над забоем), после этого производится создание необходимой нагрузки на долото разгруженным весом бурильной колонны на забой до тех пор, пока давление на стояке не вырастет на величину разницы давлений в рабочем и холостом режимах работы ВЗД, определенных по его характеристике, после этого величина нагрузки на долото в процессе бурения контролируется по этой величине.A known method of creating and controlling the necessary load on the bit when drilling horizontal and directional shafts with large displacements of the faces from the wellhead (patent RU No. 2313667, publ. 12/27/2007), including determining the working moment on the motor shaft by the magnitude of the required load bit and its specific moment, sufficient for rotation of the rock cutting tool under the necessary load on the bit. According to the characteristics of the downhole screw motor (VZD), the pressure drop across the engine is found when working with the operating moment and in idle mode, then after lowering the drilling tool with a chisel and VZD until the bottom of the well and leveling the drilling fluid parameters, the pressure on the riser of the drilling rig in the idle is recorded VZD operation mode (bit over the face), after that the necessary load on the bit is created by the unloaded weight of the drill string to the bottom until the pressure on the riser increases by Well, the pressure difference in the working and idle modes of the VZD, determined by its characteristic, after that the magnitude of the load on the bit during drilling is controlled by this value.

Недостатком данного способа является отсутствие учета гидравлических сопротивлений, представленных образованием шламовых подушек в местах интенсивного искривления скважины, сальникообразованием на долоте, а также увеличением плотности бурового раствора в кольцевом пространстве за счет частиц выбуренной породы.The disadvantage of this method is the lack of consideration of hydraulic resistance, represented by the formation of slurry pads in places of intense curvature of the well, gland formation on the bit, as well as an increase in the density of the drilling fluid in the annular space due to drill cuttings.

Известен способ контроля режима работы винтового двигателя в забойных условиях (авторское свидетельство SU №1128646, опубл. 30.09.1990 г.), заключающийся в замере показаний давлений в нагнетательной линии при работе двигателя на забое под нагрузкой и без нагрузки, а поддержание заданной частоты вращения вала двигателя осуществляют путем поддержания постоянной разницы замеренных показаний давлений.A known method of controlling the operation of a screw engine in downhole conditions (copyright certificate SU No. 1128646, published on 09/30/1990), which consists in measuring pressure readings in the discharge line when the engine is running on the bottomhole under load and without load, and maintaining a given speed the motor shaft is carried out by maintaining a constant difference in the measured pressure readings.

Недостатком данного способа является отсутствие учета износа рабочих органов ВЗД в процессе его работы, износа долота или изменения свойств горных пород.The disadvantage of this method is the lack of accounting for the wear of the working bodies of the VZD during its operation, wear of the bit or changes in the properties of rocks.

Известен способ вращательного бурения скважин забойным гидравлическим двигателем (авторское свидетельство SU №1114777, опубл. 23.09.1984 г.), заключающийся в определении частоты вращения бурильной колонны путем установления ее зависимости от осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, соответствующей тормозному моменту забойного двигателя, причем значение осевой нагрузки, соответствующей тормозному моменту, находят по следующей формуле:A known method of rotary drilling of wells with a downhole hydraulic motor (copyright certificate SU No. 1114777, published on 09/23/1984), which consists in determining the rotational speed of the drill string by establishing its dependence on the axial load on the rock cutting tool corresponding to the braking torque of the downhole motor, and the value the axial load corresponding to the braking torque is found by the following formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где МТ - тормозной момент гидравлического забойного двигателя по паспортным данным;where M T is the braking torque of the downhole hydraulic motor according to passport data;

М - требуемый рабочий крутящий момент на валу забойного двигателя;M - the required working torque on the shaft of the downhole motor;

G - осевая рабочая нагрузка на породоразрушающий инструмент.G is the axial working load on the rock cutting tool.

Недостатком данного способа является отсутствие контроля частоты вращения бурового инструмента по причине задержки передачи сигнала с момента вращения ВЗД до его остановки, а также достоверного значения осевой нагрузки на долото.The disadvantage of this method is the lack of control of the rotational speed of the drilling tool due to the delay in transmitting the signal from the moment of rotation of the airway to its stop, as well as the reliable value of the axial load on the bit.

Известен способ контроля необходимой нагрузки на долото при бурении скважин, включающий автоматизированную систему управления режимом бурения (АСУ РБ) (Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины: В 2Т. - М.: ООО «ИРЦ Газпром». - 2007. - Т2. Винтовые забойные двигатели. С. 382-388), обеспечивающую контроль изменения нагрузки на валу забойного гидродвигателя (нагрузки на долото) по изменению скорости или тока приводного двигателя бурового насосного агрегата (БНА) и регулятора подачи долота (РПД).A known method of controlling the necessary load on the bit when drilling wells, including an automated control system for the drilling mode (ACS RB) (Baldenko DF, Baldenko FD, Gnoev AN Single-screw hydraulic machines: 2T. - M .: OOO IRC Gazprom. - 2007. - T2. Downhole Motors. S. 382-388), which provides control of changes in the load on the shaft of the downhole hydraulic motor (load on the bit) by changing the speed or current of the drive motor of the drilling pump unit (BNA) and bit feed regulator (RPD).

Недостатком данного способа является отсутствие учета дополнительного давления при бурении наклонно направленных скважин, обусловленного износом рабочих органов ВЗД в процессе его работы, увеличением плотности бурового раствора в кольцевом пространстве за счет частиц выбуренной породы. Дополнительное повышение давления за счет указанных гидравлических сопротивлений приводит к неадекватным значениям установленной корреляции силы тока на приводе БНА и работой ВЗД и РПД.The disadvantage of this method is the lack of additional pressure when drilling directional wells, due to wear of the working bodies of the airway during its operation, an increase in the density of the drilling fluid in the annular space due to particles of drill cuttings. An additional increase in pressure due to the indicated hydraulic resistances leads to inadequate values of the established correlation of the current strength on the BNA drive and the operation of the VZD and RPD.

Известен способ контроля осевой нагрузки на долото при бурении горизонтальных и наклонно направленных скважин ВЗД (патент RU №2361055, опубл. 10.07.2009 г.), включающий определение давления на стояке буровой установки в холостом режиме работы ВЗД (долото над забоем), создание необходимой нагрузки на долото разгруженным весом бурильной колонны на забой до тех пор, пока давление на стояке не вырастет на величину разницы давлений в рабочем и холостом режимах работы двигателя, определенных по его характеристике. После запуска двигателя (над забоем), при работе его в режиме холостого хода производят проворачивание бурильной колонны ротором (либо верхним приводом буровой установки) с последующим замером величины момента Мр.х (момент на роторе в режиме работы двигателя на холостом ходу), после этого создают осевую нагрузку на долото и производят проворачивание бурильной колонны ротором (либо верхним приводом буровой установки) с последующим замером величины момента на роторе Мр.р (момент на роторе в рабочем режиме работы двигателя).A known method of controlling the axial load on the bit when drilling horizontal and directional wells VZD (patent RU No. 2361055, publ. 07/10/2009), which includes determining the pressure on the riser of the rig in idle operation of the VZD (bit over the face), creating the necessary the load on the bit by the unloaded weight of the drill string to the bottom until the pressure on the riser increases by the magnitude of the pressure difference in the operating and idle operating modes of the engine, determined by its characteristic. After the engine is started (over the face), when it is idling, the drill string is rotated by the rotor (or the top drive of the drilling rig), followed by the measurement of the magnitude of M p.x (torque on the rotor in idle mode), after this creates an axial load on the bit and rotate the drill string with the rotor (or the top drive of the drilling rig), followed by measuring the magnitude of the moment on the rotor M rp (moment on the rotor in the operating mode of the engine).

Причем фактическую осевую нагрузку на долото определяют по выражению:Moreover, the actual axial load on the bit is determined by the expression:

Figure 00000002
Н
Figure 00000002
N

где Goc.ГТИ - осевая нагрузка на долото по станции геолого-технических исследований, Н;where G oc. GTI - axial load on the bit at the station of geological and technical research, N;

Мр.х - момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу, Нм;M r.kh - the moment on the rotor in the operation mode of the IDR at idle, Nm;

Мр.р - момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД, Нм;M r.r - the moment on the rotor in the operating mode of the VZD, Nm;

Dскв. - диаметр скважины, м.D well - well diameter, m

Недостатком данного способа является отсутствие параметра механической скорости бурения, частоты вращения бурильной колонны и показателя ее перемещения относительно оси скважины.The disadvantage of this method is the lack of a parameter of the mechanical drilling speed, the rotational speed of the drill string and the rate of its movement relative to the axis of the well.

Известен способ контроля осевой нагрузки на долото при бурении горизонтальных и наклонно направленных скважин ВЗД (М.В. Двойников / Технология бурения нефтяных и газовых скважин модернизированными винтовыми забойными двигателями. Дисс. доктора техн. наук. Тюмень 2011. - с. 215-219), принятый за прототип, включающий определение давления на стояке буровой установки, проворачивание бурильной колонны с последующим замером величины момента Мр.х (момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу). После создания осевой нагрузки на долото определяют рабочий режим работы ВЗД по величине давления на стояке буровой установки и производят проворачивание бурильной колонны с последующим замером величины момента Мр.р (момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД). Зная величины моментов Мр.х и Мр.р, определяют силу трения о горную породу и фактическую нагрузку на долото по формуле:A known method of controlling axial load on a bit when drilling horizontal and directional wells VZD (MV Dvoinikov / Technology for drilling oil and gas wells with modernized downhole screw motors. Diss. Doctor of Engineering. Tyumen 2011. - S. 215-219) adopted for the prototype, including determining the pressure on the riser of the drilling rig, turning the drill string with subsequent measurement of the magnitude of the moment M rx (torque on the rotor in the operation mode of the air intake at idle). After creating an axial load on the bit, the operating mode of the VZD is determined by the pressure on the riser of the drilling rig and the drill string is rotated with subsequent measurement of the moment M rp (torque on the rotor in the operating mode of the VZD). Knowing the magnitude of the moments M rx and M rp , determine the friction force on the rock and the actual load on the bit according to the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Goc.ГТИ - осевая нагрузка на долото по станции ГТИ, Н; Мр.х - момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу, Нм; Мр.р - момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД, Нм; Dскв - диаметр скважины, м; υп - скорость перемещения бурильной колонны вдоль стенки скважины; ωскв - угловая скорость вращения бурильной колонны относительно оси скважины.where G oc. GTI - axial load on the bit at the station GTI, N; M r.kh - the moment on the rotor in the operation mode of the IDR at idle, Nm; M r.r - the moment on the rotor in the operating mode of the VZD, Nm; D SLE - well diameter, m; υ p - the speed of movement of the drill string along the wall of the well; ω SLE - the angular velocity of rotation of the drill string relative to the axis of the well.

Недостатком данного способа является то, что в способе не учтены показатели перемещения бурильной колонны относительно оси скважины и момента сопротивления трению буровой колонны о стенки скважины с учетом потери устойчивости с учетом модуля Юнга и полярного момента инерции, определяющих ее жесткость при изменении напряженно-деформированного состояния.The disadvantage of this method is that the method does not take into account the displacement of the drill string relative to the axis of the borehole and the moment of resistance to friction of the drill string against the borehole wall, taking into account the loss of stability, taking into account the Young's modulus and the polar moment of inertia, which determine its rigidity when the stress-strain state changes.

Техническим результатом является увеличение эффективности бурения наклонно направленных скважин, надежности ВЗД и породоразрушающего инструмента за счет повышения качества контроля осевой нагрузки на долото с одновременным вращением бурильной колонны.The technical result is to increase the efficiency of drilling directional wells, the reliability of the VZD and rock cutting tools by improving the quality of control of the axial load on the bit with the simultaneous rotation of the drill string.

Технический результат достигается тем, что после запуска двигателя без нагрузки, при работе в режиме холостого хода, осуществляется замер частоты вращения и момента на роторе Мр.х, затем создается осевая нагрузка на долото и осуществляется замер частоты вращения и момента на роторе Мр.р, а фактическую осевую нагрузку на долото при одинаковых частотах вращения бурильной колонны под нагрузкой и без нагрузки определяют по формуле:The technical result is achieved by the fact that after starting the engine without load, when operating in idle mode, the speed and moment on the rotor M r.x are measured , then the axial load on the bit is created and the speed and moment on the rotor M r are measured . p , and the actual axial load on the bit at the same rotational speed of the drill string under load and without load is determined by the formula:

Figure 00000004
Н
Figure 00000004
N

где Gос.ГТИ - осевая нагрузка на долото по станции ГТИ, Gос.ГТИ=Gбк-Gд, H;where G OS.GTI - axial load on the bit at the GTI station, G OS.GTI = G bk -G d , H;

Gбк - вес бурильной колонны на крюке буровой установки, Н;G bq - the weight of the drill string on the hook of the rig, N;

Gд - нагрузка на долото, Н;G d - the load on the bit, N;

Мр.х - момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу, Н⋅м;M r.kh - the moment on the rotor in the operation mode of the IDR at idle, N⋅m;

Мр.р - момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД, Н⋅м;M r.r - the moment on the rotor in the operating mode of the VZD, N⋅m;

Dскв - диаметр скважины, м;D SLE - well diameter, m;

ϑ - механическая скорость бурения, м/с;ϑ - mechanical drilling speed, m / s;

ωскв. - частота вращения бурильной колонны относительно стенки скважины, рад/с;ω well - rotational speed of the drill string relative to the borehole wall, rad / s;

a - перемещение бурильной колонны вдоль оси скважины,

Figure 00000005
м; a is the movement of the drill string along the axis of the well,
Figure 00000005
m;

Figure 00000006
- зазор между бурильной колонной и стенками скважины,
Figure 00000007
м;
Figure 00000006
- the gap between the drill string and the walls of the well,
Figure 00000007
m;

t - шаг винтовой линии бурильной колонны относительно оси скважины за 2π,

Figure 00000008
м;t is the pitch of the helix of the drill string relative to the axis of the well in 2π,
Figure 00000008
m;

E - модуль Юнга, Па;E is Young's modulus, Pa;

I - полярный момент инерции бурильной колоны, м4.I - polar moment of inertia of the drill string, m 4 .

Способ поясняется фиг. 1 - график зависимости фактической нагрузки на долото от частоты вращения бурильной колонны.The method is illustrated in FIG. 1 is a graph of the actual load of the bit on the rotational speed of the drill string.

Способ осуществляется следующим образом. При бурении наклонно направленных скважин с использованием в качестве привода породоразрушающего инструмента ВЗД выбирается эффективный режим бурения, обеспечивающий надежную работу породоразрушающего инструмента. С этой целью на бурильной колонне ВЗД с закрепленным на нем долотом опускается в скважину. Не доходя до забоя, по колонне бурильных труб в ВЗД подается буровой раствор. После запуска двигателя без нагрузки, при работе его в режиме холостого хода, определяется давление на стояке буровой установки. Затем производят вращение бурильной колонны без нагрузки с последующим замером величины момента Мр.х (момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу) и частоты вращения бурильной колонны.The method is as follows. When drilling directional wells using a CDD as a rock cutting tool, an effective drilling mode is selected to ensure reliable operation of the rock cutting tool. To this end, on the drill string, the VZD with the bit fixed on it, is lowered into the well. Before reaching the bottom, the drilling fluid is supplied through the drill pipe string into the VZD. After starting the engine without load, when it is idling, the pressure on the riser of the drilling rig is determined. Then, the drill string is rotated without load, with subsequent measurement of the magnitude of the moment M r.x (torque on the rotor in the IZD idle mode) and the rotational speed of the drill string.

Затем бурильная колонна с двигателем и долотом подается вниз до контакта с забоем и далее плавно создается осевая нагрузка на долото. Определяют рабочий режим работы ВЗД по величине давления на стояке буровой установки, после чего производят вращение бурильной колонны под нагрузкой с последующим замером величины момента Мр.р (момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД) и частоты вращения бурильной колоны под нагрузкой.Then the drill string with the motor and the bit is fed down to the contact with the face and then the axial load on the bit is smoothly created. The operating mode of the VZD is determined by the pressure on the riser of the rig, after which the drill string is rotated under load, followed by the measurement of the moment M rp (torque on the rotor in the operating mode of the VZD) and the rotational speed of the drill string under load.

За счет создания нагрузки на долото и наличия крутильных колебаний происходит потеря устойчивости бурильной колонны. В результате бурильная колонна испытывает как растягивающие, так и сжимающие напряжения. С увеличением нагрузки на долото (снижения Gбк и увеличения Gд) трение скольжения между бурильной колонной и стенкой скважины переходит в трение качения. При этом бурильная колонна совершает вращение как вокруг собственной оси по часовой стрелке, так и переносное движение (планетарное) относительно оси скважины ωскв..Due to the load on the bit and the presence of torsional vibrations, the stability of the drill string is lost. As a result, the drill string experiences both tensile and compressive stresses. With the increase in weight on bit (G bc reduction and increasing G d) sliding friction between the drill string and the borehole wall becomes rolling friction. In this case, the drill string rotates around its own axis in a clockwise direction, as well as figurative motion (planetary) relative to the axis of the well ω borehole. .

Зная величины моментов в Мр.х и Мр.р, а также частоту вращения бурильной колоны с учетом напряженно-деформированного состояния, определяют силу трения о горную породу, препятствующую поступательному ее движению вдоль оси скважины.Knowing the magnitude of the moments in M rx and M rp , as well as the rotational speed of the drill string, taking into account the stress-strain state, determine the friction force on the rock, which prevents its progressive movement along the axis of the well.

Сила трения бурильной колонны о стенки скважины, направленная противоположено создаваемой осевой нагрузке на долото, определяется какThe friction force of the drill string against the borehole wall, directed opposite to the created axial load on the bit, is defined as

Figure 00000009
Figure 00000009

Зная осевую нагрузку по станции ГТИ Gос.ГТИ, рассчитанную только по изменению (потери) веса на крюке буровой установки по показателям ГИВ (гидравлический индикатор веса), определяют фактическую осевую нагрузку на долото.Knowing the axial load at the GTI station G of the GTI , calculated only by the change (loss) in weight on the hook of the rig using GIV indicators (hydraulic weight indicator), the actual axial load on the bit is determined.

Причем фактическую осевую нагрузку на долото с учетом напряженно-деформированного состояния бурильной колонны определяют по формуле:Moreover, the actual axial load on the bit, taking into account the stress-strain state of the drill string, is determined by the formula:

Figure 00000010
Н
Figure 00000010
N

где Goc.ГТИ - осевая нагрузка на долото по станции ГТИ, Gос.ГТИ=Gбк-Gд, Н;where G oc. GTI - axial load on the bit at the GTI station, G ax . GTI = G bk -G d , N;

Gбк - вес бурильной колонны на крюке буровой установки, Н;G bq - the weight of the drill string on the hook of the rig, N;

Gд - нагрузка на долото, Н;G d - the load on the bit, N;

Мр.х - момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу, Н⋅м;M r.kh - the moment on the rotor in the operation mode of the IDR at idle, N⋅m;

Мр.р - момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД, Н⋅м;M r.r - the moment on the rotor in the operating mode of the VZD, N⋅m;

Dскв - диаметр скважины, м;D SLE - well diameter, m;

ϑ - механическая скорость бурения, м/с;ϑ - mechanical drilling speed, m / s;

ωскв. - частота вращения бурильной колонны относительно стенки скважины, рад/с;ω well - rotational speed of the drill string relative to the borehole wall, rad / s;

a - перемещение бурильной колонны вдоль оси скважины,

Figure 00000011
м; a is the movement of the drill string along the axis of the well,
Figure 00000011
m;

Figure 00000012
- зазор между бурильной колонной и стенками скважины,
Figure 00000013
м;
Figure 00000012
- the gap between the drill string and the walls of the well,
Figure 00000013
m;

t - шаг винтовой линии бурильной колонны относительно оси скважины за 2π,

Figure 00000014
м;t is the pitch of the helix of the drill string relative to the axis of the well in 2π,
Figure 00000014
m;

E - модуль Юнга, Па;E is Young's modulus, Pa;

I - полярный момент инерции бурильной колоны, м4.I - polar moment of inertia of the drill string, m 4 .

Результаты анализа практических данных бурения скважин, имеющих сложный профиль, показали, что фактическая осевая нагрузка на долото существенно отличается от нагрузки, замеренной по станции ГТИ. В результате при бурении скважин механическая скорость снижается, а ствол скважины формируется с образованием больших каверн и уступов, затрудняющих продвижение КНБК, а интенсивность искривления и радиус участков набора и падения зенитного угла не соответствует допустимым прочностным характеристикам бурильных труб. Осуществлять бурение таких участков с применением в качестве привода долота только двигатель практически невозможно. Это связано, прежде всего, с большим трением между БК и породой. В качестве технологического приема повышения эффективности бурения, например, с винтовым забойным двигателем (ВЗД) используют одновременное периодическое или постоянное вращение бурильной колонны ротором, либо верхним приводом. Производственники данный способ называют комбинированным. Его использование позволяет осуществлять бурение скважин различной глубины с разными типами профиля, широким диапазоном изменения вида и свойств промывочных жидкостей, параметров режима бурения, а также с применением разных конструкций и типоразмеров породоразрушающего инструмента.The results of the analysis of practical data on drilling wells with a complex profile showed that the actual axial load on the bit differs significantly from the load measured at the GTI station. As a result, when drilling wells, the mechanical speed decreases, and the wellbore is formed with the formation of large caverns and ledges that impede the BHA advancement, and the intensity of the curvature and the radius of the sections of the set and fall of the zenith angle do not correspond to the allowable strength characteristics of the drill pipes. It is almost impossible to carry out drilling of such sections using only a motor as a drive of a bit. This is primarily due to the large friction between the BC and the rock. As a technological technique for increasing the efficiency of drilling, for example, with a downhole screw motor (VZD), simultaneous periodic or constant rotation of the drill string using a rotor or top drive is used. Manufacturers call this method combined. Its use allows drilling wells of various depths with different types of profiles, a wide range of changes in the type and properties of flushing fluids, parameters of the drilling mode, as well as using different designs and sizes of rock cutting tools.

Однако при сложившейся на сегодня технологии комбинированного бурения отмечаются проблемы, связанные с нестабильностью работы ВЗД, их остановками, а также авариями (отворотами, разрушениями элементов ВЗД) компоновки бурильной колонны (БК). Основным недостатком использования одновременного вращения ВЗД и бурильной колонны на участках стабилизации зенитного угла является возможность корректировки траектории профиля скважины в процессе проводки наклонно прямолинейных (тангенциальных) участков.However, with the current technology of combined drilling, problems are noted associated with the instability of the VZD, their stops, as well as accidents (lapels, destruction of the elements of the VZD) layout of the drill string (BK). The main disadvantage of using the simultaneous rotation of the VZD and the drill string in the areas of stabilization of the zenith angle is the ability to adjust the trajectory of the well profile during the posting of obliquely straight (tangential) sections.

В случае бурения последующих интервалов, расположенных после участка стабилизации, например участков набора или снижения зенитного угла, использовать ВЗД без вращения БК практически не возможно. Это обусловлено действием дополнительных сил трения между бурильным инструментом и горной породой. Силы трения препятствуют доведению требуемой нагрузки на долото, снижению оперативного управления и контроля траектории профиля скважины.In the case of drilling subsequent intervals located after the stabilization section, for example, plots of set or reduction of the zenith angle, it is practically impossible to use the CDW without rotating the BC. This is due to the action of additional frictional forces between the drilling tool and the rock. Friction forces prevent the required load on the bit, reduce operational management and control the trajectory of the well profile.

Наиболее эффективным техническим решением данной проблемы, направленной на повышение качества реализации проектных траекторий скважин и контроля фактической нагрузки на долото, является использование в расчетах показателя перемещения бурильной колонны относительно оси скважины, момента сопротивления трению буровой колонны о стенки скважины с учетом потери устойчивости, а также жесткость инструмента при изменении его напряженно-деформированного состояния.The most effective technical solution to this problem, aimed at improving the quality of the design of well trajectories and monitoring the actual load on the bit, is to use the calculation of the displacement of the drill string relative to the axis of the borehole, the moment of resistance to friction of the drill string against the borehole wall, taking into account the loss of stability, as well as rigidity tool when changing its stress-strain state.

Реализация способа произведена на примере бурения участка стабилизации зенитного угла с использованием бурильных труб диаметром 127 мм и долота диаметром 215 мм. Механическая скорость бурения изменялась в диапазоне от 20 до 28 м/ч. Непосредственно перед бурением были проведены расчеты следующих параметров: частоты вращения бурильной колонны; моментов на роторе в холостом и рабочем режимах работы ВЗД; показатели перемещения и шаг винтовой линии бурильной колонны относительно оси скважины за 2π.The implementation of the method is made by the example of drilling a section of stabilization of the zenith angle using drill pipes with a diameter of 127 mm and a bit with a diameter of 215 mm. The mechanical drilling speed varied from 20 to 28 m / h. Immediately before drilling, the following parameters were calculated: rotational speed of the drill string; moments on the rotor in idle and operating modes of the VZD; displacement indicators and the pitch of the helix of the drill string relative to the axis of the well in 2π

Разность моментов на роторе при работе ВЗД в режиме холостого хода и рабочем режиме составляет 5 кН⋅м при измеренных Мх.х=5 кН⋅м, Мр.х=10 кН⋅м. Частота вращения бурильной колонны относительно стенки скважины изменяется от 5,3 до 14,1 рад/с (при вращении от 30 до 80 об/мин). Перемещение бурильной колонны относительно оси скважины a составляет 3,48⋅10-3 м. Шаг винтовой линии бурильной колонны относительно оси скважины за 2π составляет 54,2 м. Осевая нагрузка на долото по данным станции ГТИ составляет 10 кН.The difference of the moments on the rotor during the operation of the IDR in idle mode and operating mode is 5 kN⋅m with the measured M x.x = 5 kN⋅m, M r.x = 10 kN⋅m. The rotational speed of the drill string relative to the borehole wall varies from 5.3 to 14.1 rad / s (with rotation from 30 to 80 rpm). The movement of the drill string relative to the borehole axis a is 3.48 × 10 -3 m. The pitch of the helical string of the drill string relative to the borehole axis in 2π is 54.2 m. The axial load on the bit according to the GTI station is 10 kN.

Анализ результатов расчета показал, что значение фактической нагрузки на долото не совпадает со значением нагрузки на долото по станции ГТИ (фиг. 1). При частоте вращения бурильной колонны 5,1 рад/с (30 об/мин) нагрузка на долото не доходит и составляет 7,8 кН. С увеличением частоты вращения до 14,1 рад/с (80 об/мин) нагрузка на долото возрастает и составляет 9,2 кН.Analysis of the calculation results showed that the value of the actual load on the bit does not coincide with the value of the load on the bit at the GTI station (Fig. 1). At a drill string rotation frequency of 5.1 rad / s (30 rpm), the load on the bit does not reach 7.8 kN. With an increase in the rotational speed to 14.1 rad / s (80 rpm), the load on the bit increases and amounts to 9.2 kN.

Определение фактической осевой нагрузки позволит увеличить эффективность бурения наклонно направленных скважин винтовыми забойными двигателями с одновременным вращением бурильной колонны, также позволит снизить возможность возникновения аварийной ситуации при неконтролируемом вращении без учета напряженно-деформированного состояния.Determination of the actual axial load will increase the efficiency of drilling directional wells with downhole motors with simultaneous rotation of the drill string, will also reduce the likelihood of an emergency during uncontrolled rotation without taking into account the stress-strain state.

Claims (15)

Способ контроля осевой нагрузки на долото при бурении наклонно направленных скважин, включающий определение давления на стояке буровой установки в холостом и рабочем режимах работы винтового забойного двигателя (долото над забоем), отличающийся тем, что после запуска двигателя без нагрузки, при работе в режиме холостого хода, осуществляется замер частоты вращения и момента на роторе Мр.х, затем создается осевая нагрузка на долото и осуществляется замер частоты вращения и момента на роторе Мр.р, а фактическую осевую нагрузку на долото при одинаковых частотах вращения бурильной колонны под нагрузкой и без нагрузки определяют по формуле:A method for controlling the axial load on a bit when drilling directional wells, including determining the pressure on the riser of a drilling rig in idle and operating modes of a downhole screw motor (bit above the bottom), characterized in that after starting the engine without load, when operating in idle mode , the speed and moment on the rotor M r.x are measured , then the axial load on the bit is created and the speed and moment on the rotor M r.r are measured , and the actual axial load on the bit is At the same rotational speed of the drill string under load and without load is determined by the formula:
Figure 00000015
Figure 00000015
где Gос.ГТИ - осевая нагрузка на долото по станции ГТИ, Gос.ГТИ=Gбк-Gд, Н;where G OS.GTI - axial load on the bit at the GTI station, G OS.GTI = G bk -G d , N; Gбк - вес бурильной колонны на крюке буровой установки, Н;G bq - the weight of the drill string on the hook of the rig, N; Gд - нагрузка на долото, Н;G d - the load on the bit, N; Мр.х - момент на роторе в режиме работы ВЗД на холостом ходу, Н⋅м;M r.kh - the moment on the rotor in the operation mode of the IDR at idle, N⋅m; Мр.р - момент на роторе в рабочем режиме работы ВЗД, Н⋅м;M r.r - the moment on the rotor in the operating mode of the VZD, N⋅m; Dскв. - диаметр скважины, м;D well - well diameter, m; ϑ - механическая скорость бурения, м/с;ϑ - mechanical drilling speed, m / s; ωскв. - частота вращения бурильной колонны относительно стенки скважины, рад/с;ω well - rotational speed of the drill string relative to the borehole wall, rad / s; а - перемещение бурильной колонны вдоль оси скважины,
Figure 00000016
, м;
a - the movement of the drill string along the axis of the well,
Figure 00000016
, m;
Figure 00000017
- зазор между бурильной колонной и стенками скважины,
Figure 00000018
, м;
Figure 00000017
- the gap between the drill string and the walls of the well,
Figure 00000018
, m;
t - шаг винтовой линии бурильной колонны относительно оси скважины за 2π,
Figure 00000019
, м;
t is the pitch of the helix of the drill string relative to the axis of the well in 2π,
Figure 00000019
, m;
Е - модуль Юнга, Па;E - Young's modulus, Pa; I - полярный момент инерции бурильной колоны, м4.I - polar moment of inertia of the drill string, m 4 .
RU2017102840A 2017-01-27 2017-01-27 Method of monitoring the axial load to bit when drilling inclined well-directional wells with downhole drilling motor RU2646651C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017102840A RU2646651C1 (en) 2017-01-27 2017-01-27 Method of monitoring the axial load to bit when drilling inclined well-directional wells with downhole drilling motor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017102840A RU2646651C1 (en) 2017-01-27 2017-01-27 Method of monitoring the axial load to bit when drilling inclined well-directional wells with downhole drilling motor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2646651C1 true RU2646651C1 (en) 2018-03-06

Family

ID=61568323

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017102840A RU2646651C1 (en) 2017-01-27 2017-01-27 Method of monitoring the axial load to bit when drilling inclined well-directional wells with downhole drilling motor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2646651C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2681160C1 (en) * 2018-04-24 2019-03-04 Общество с ограниченной ответственностью "Управляющая компания "Татбурнефть" (ООО "УК "Татбурнефть") Active feed control regulator

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4491186A (en) * 1982-11-16 1985-01-01 Smith International, Inc. Automatic drilling process and apparatus
SU1216333A1 (en) * 1984-05-16 1986-03-07 Грозненское Научно-Производственное Объединение "Промавтоматика" Method of monitoring bit load of turbo-drilling
RU2313667C2 (en) * 2006-01-30 2007-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "Татнефть-Бурение" Method to create and control necessary load to ba applied to drilling bit during horizontal and directional well drilling with the use of downhole drilling motor with large distance between well bottom and head
RU2361055C1 (en) * 2007-12-25 2009-07-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" Method of control over axial load on bore bit at boring horizontal and directional wells with screw bottomhole motor
RU2567575C1 (en) * 2011-12-28 2015-11-10 Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. System and method for automatic calibration of load at drill bit transducer and control over drill string flexure

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4491186A (en) * 1982-11-16 1985-01-01 Smith International, Inc. Automatic drilling process and apparatus
SU1216333A1 (en) * 1984-05-16 1986-03-07 Грозненское Научно-Производственное Объединение "Промавтоматика" Method of monitoring bit load of turbo-drilling
RU2313667C2 (en) * 2006-01-30 2007-12-27 Общество с ограниченной ответственностью "Татнефть-Бурение" Method to create and control necessary load to ba applied to drilling bit during horizontal and directional well drilling with the use of downhole drilling motor with large distance between well bottom and head
RU2361055C1 (en) * 2007-12-25 2009-07-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" Method of control over axial load on bore bit at boring horizontal and directional wells with screw bottomhole motor
RU2567575C1 (en) * 2011-12-28 2015-11-10 Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. System and method for automatic calibration of load at drill bit transducer and control over drill string flexure

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ДВОЙНИКОВ М.В. Технология бурения нефтяных и газовых скважин модернизированными винтовыми забойными двигателями, Авто диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Тюмень, 2011, с. 215-219. *
ДВОЙНИКОВ М.В. Технология бурения нефтяных и газовых скважин модернизированными винтовыми забойными двигателями, Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Тюмень, 2011, с. 215-219. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2681160C1 (en) * 2018-04-24 2019-03-04 Общество с ограниченной ответственностью "Управляющая компания "Татбурнефть" (ООО "УК "Татбурнефть") Active feed control regulator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9574432B2 (en) Optimized drilling
AU2002245623B2 (en) Steerable underreaming bottom hole assembly and method
CA2877925C (en) Method for reducing stick-slip during wellbore drilling
US20170044896A1 (en) Real-Time Calculation of Maximum Safe Rate of Penetration While Drilling
CN111989457B (en) Damper for mitigating vibration of downhole tool
US10704327B2 (en) Drilling assembly having a tilted or offset driveshaft
EP3055484B1 (en) Friction and wear reduction of downhole tubulars using graphene
AU2002245623A1 (en) Steerable underreaming bottom hole assembly and method
CN112088240B (en) Damper for damping vibration of downhole tools and vibration isolation apparatus for downhole bottom hole assembly
Tan et al. Casing wear prediction model based on drill string whirling motion in extended-reach drilling
US11708726B2 (en) Horizontal directional reaming
Tools Motor Handbook
Reimers Antistall tool reduces risk in drilling difficult formations
RU2646651C1 (en) Method of monitoring the axial load to bit when drilling inclined well-directional wells with downhole drilling motor
Simonyants et al. Stimulation of the drilling process with the top driven screw downhole motor
US9702200B2 (en) System and method for controlled slip connection
RU2361055C1 (en) Method of control over axial load on bore bit at boring horizontal and directional wells with screw bottomhole motor
US10968701B2 (en) Apparatus for drilling an oil well using a downhole powered rotating drill shoe mounted on casing or liner
US10557318B2 (en) Earth-boring tools having multiple gage pad lengths and related methods
US11692428B2 (en) Downhole dynamometer
Vad et al. SP 4 Bottom Hole Screw Motors for Oil and Gas Drilling
Inglis Turbodrills

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210128