SU1716081A1

SU1716081A1 - Method of lowering differential pressure at the bottomhole during drilling

Info

Publication number: SU1716081A1
Application number: SU894667723A
Authority: SU
Inventors: Александр Михайлович Свалов; Рудольф Моисеевич Эйгелес; Александр Моисеевич Гусман; Дмитрий Александрович Лубяный
Original assignee: Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Буровой Техники
Priority date: 1989-02-06
Filing date: 1989-02-06
Publication date: 1992-02-28

Abstract

Изобретение относитс к бурению скважин, а именно к бурению скважин вращательным способом с использованием промывочной жидкости. Цель изобретени - повышение эффективности снижени дифференциального давлени без изменени параметров режима бурени . В процессе бурени производ т непрерывное удаление глинистой корки со стенок скважины кольцевой призабой- ной зоны. При этом рассто ние от ее нижней границы до поверхности забо и ее высоту определ ют из соотношени JL(K-1)6exp(), Н , где Н - высота кольцевой призабойной зоны, мм; R - радиус скважины, мм; К - безразмерный коэффициент кольцевой призабойной зоны; L - рассто ние от нижней границы кольцевой зоны до поверхности забо , мм. Требуемое снижение дифференциального давлени на забой задаетс в виде безразмерного коэффициента эффективности кольцевой зоны К. Значение коэффициента К показывает, во сколько раз требуетс снизить дифференциальное давление. Выбор значени зависит от конкретных условий бурени .The invention relates to the drilling of wells, namely the drilling of wells in a rotational manner using a flushing fluid. The purpose of the invention is to increase the effectiveness of reducing the differential pressure without changing the parameters of the drilling mode. In the process of drilling, continuous removal of a mudcake from the borehole walls of the annular bottom zone is performed. The distance from its bottom border to the bottom surface and its height is determined from the ratio JL (K-1) 6exp (), H, where H is the height of the annular bottomhole zone, mm; R is the well radius, mm; K is the dimensionless coefficient of the annular bottomhole zone; L is the distance from the lower boundary of the annular zone to the bottom surface, mm. The required decrease in the differential pressure on the bottomhole is specified as the dimensionless efficiency factor of the annular zone K. The value of the coefficient K shows how many times the differential pressure is required to be reduced. The choice of value depends on the specific drilling conditions.

Description

Изобретение относитс к бурению скважин , а именно к бурению скважин вращательным способом с использованием промывочной жидкости.The invention relates to the drilling of wells, namely the drilling of wells in a rotational manner using a flushing fluid.

Известен способ снижени дифферен циального давлени , основанный на изменении свойств промывочной жидкости и ее давлени на забое.-VThere is a method of reducing differential pressure, based on changes in the properties of the washing liquid and its downhole pressure. -V

Недостатком этого способа вл етс веро тность возникновени серьезных ослрж- неНий при бурении, таких как прихват бурильной колонны, обвал стенок скважины .The disadvantage of this method is the likelihood of serious explosions during drilling, such as sticking of the drill string, collapse of the borehole walls.

Известен также способ снижени дифференциального давлени путем изменени There is also known a method of reducing the differential pressure by changing

проницаемости призабойной зоны за счет изменени свойств не всего объема промывочной жидкости, а только той его части, котора циркулирует вблизи призабойной зоны. В этом способе снижение содержани твердой фазы промывочной жидкости в призабойной зоне затрудн ет образование на ее поверхности слабопроницаемой твердофазной корки. В результате проницаемость призабойной зоны возрастает, что, в свою очередь, приводит к снижению дифференциального давлени на забой. Однако такой способ снижени дифференциального давлени путем изменени свойств промывочной жидкости в призабойной зонеpermeability of the bottomhole zone due to a change in the properties of not the entire volume of washing liquid, but only that part that circulates near the bottomhole zone. In this method, the reduction of the solids content of the washing liquid in the bottomhole zone makes it difficult to form a low-permeable solid phase cake on its surface. As a result, the permeability of the bottomhole zone increases, which, in turn, leads to a decrease in the differential pressure at the bottom. However, this method of reducing the differential pressure by changing the properties of the washing liquid in the bottomhole zone

ОABOUT

оabout

0000

недостаточно эффективен, так как с помощью забойного сепаратора невозможно предотвратить образование на поверхности призабойной зоны твердофазной корки, так как сепараци не может полностью иск- лючить попадание твердой фазы в приза- бойную зону. Кроме того, в процессе бурени образуетс большое количество мелкодисперсных частиц разрушаемой породы , также способных создавать слабо- проницаемую твердофазную корку.insufficiently effective, since with the help of a downhole separator it is impossible to prevent the formation of a solid-phase crust on the surface of the bottom-hole zone, since the separation cannot completely eliminate the ingress of a solid phase into the bottom-hole zone. In addition, in the process of drilling, a large number of fine particles of destructible rock are formed, which are also capable of creating a weakly permeable solid phase crust.

Цель изобретени - повышение эффективности снижени дифференциального давлени без изменени параметров режима бурени . The purpose of the invention is to increase the effectiveness of reducing the differential pressure without changing the parameters of the drilling mode.

Сущность изобретени состоит в том, что в процессе бурени производ т непрерывное удаление глинистой корки со стенок скважины кольцевой призабойной зоны, а рассто ние от ее нижней границы до повер- хности забо и ее высота наход тс в следующей зависимости:The essence of the invention is that in the process of drilling, continuous removal of the mudcake from the borehole walls of the annular bottomhole zone, and the distance from its lower boundary to the bottom surface and its height are in the following relationship:

RR

31ч31h

Н (К-1)6ехр () ,К 1,0 H (K-1) 6exp (), K 1.0

,,

где Н - высота кольцевой призабойной зоны , мм;where H is the height of the annular bottom zone, mm;

R - радиус скважины, мм;R is the well radius, mm;

К - безразмерный коэффициент кольцевой призабойной зоны;K is the dimensionless coefficient of the annular bottomhole zone;

L- рассто ние от нижней границы кольцевой зоны до поверхности забо , мм.L is the distance from the lower boundary of the annular zone to the bottom surface, mm.

Дл того, чтобы обеспечить требуемое снижение дифференциального давлени на забой, высота кольцевой зоны с повышен- ной проницаемостью должна определ тьс из вышеуказанного соотношени . Требуемое снижение задаетс в виде безразмерного коэффициента эффективности кольцевой зоны К. Значение коэффициента К показывает, во сколько раз требуетс снизить дифференциальное давление. Выбор значени зависит от конкретных условий бурени . Соотношение, определ ющее высоту кольцевой зоны, получено путем решени уравнени Лапласа:In order to provide the required reduction of the differential pressure on the bottomhole, the height of the annular zone with increased permeability must be determined from the above ratio. The required reduction is specified as the dimensionless efficiency factor of the annular zone K. The value of the coefficient K indicates how many times the differential pressure is required to be reduced. The choice of value depends on the specific drilling conditions. The ratio that determines the height of the annular zone is obtained by solving the Laplace equation:

ДР 0, где А-оператор Лапласа;DR 0, where the A-operator Laplace;

Р -пластовое давлени в разбуриваемой горной породе.P pressure in the rock to be drilled.

Уравнение описывает распределение порового давлени в призабойной зоне скважины. При его решении предполагалось , что фильтрационный процесс через стенку скважины происходит по линейному закону, а поровое давление в породе вдали от забо равно пластовому давлению. Указанное соотношение получено, исход из услови , что рассто ние до поверхности забо L 0. Это наиболее реальный случай,The equation describes the pore pressure distribution in the wellbore zone. When solving it, it was assumed that the filtration process through the borehole wall occurs according to a linear law, and the pore pressure in the rock far from the bottom hole is equal to the reservoir pressure. The indicated ratio is obtained on the basis of the condition that the distance to the surface of the slab is L 0.

когда L 0, соотношение, определ ющее высоту зоны Н, примет другой вид: Н 0,2х хР. При таких услови х дифференциальное давление на забой снижаетс до нул .when L 0, the ratio determining the height of the H zone will take another form: H 0.2 x xR. Under these conditions, the differential pressure on the bottomhole drops to zero.

Дл вывода математической зависимости , определ ющей высоту кольцевой призабойной зоны, с поверхности которой производ т непрерывное удаление слабопроницаемой корки, использовано уравнение пьезопроводности в осесимметричной постановке, это уравнение имеет вид ,d2 Р -, 1 d Р d2 Р пTo derive a mathematical relationship that determines the height of the annular bottomhole zone, from the surface of which a low-permeable crust is continuously removed, the piezoconductivity equation in the axisymmetric formulation is used, this equation has the form, d2 P -, 1 d P d2 P p

77 где Р - поровое давление в призабойной зоне пласта;77 where P is the pore pressure in the bottomhole formation zone;

г, Z - соответственно радиальна и вертикальна координаты.g, Z - respectively, the radial and vertical coordinates.

Уравнение решалось с помощью численных методов на ЭВМ при следующих граничных услови х. На стенке скважины из-за наличи сло низкопроницаемой корки принимаетс условие отсутстви потока фильтрата промывочной жидкости, т.е.The equation was solved using computer numerical methods under the following boundary conditions. On the borehole wall, due to the presence of a layer of low permeable crust, the condition for the absence of filtrate flow of washing liquid, i.e.

#-«# - "

На забое скважины, согласно закону Дарси, будет справедливым следующее граничное условие:At the bottom of the well, according to Darcy's law, the following boundary condition will be true:

Р -Р- К .6dPР-Р- К .6dP

к° к Ks dZ to ° to Ks dZ

где Ро - гидродинамическое давление в скважине;where Ro is the hydrodynamic pressure in the well;

д - толщина глинизированного сло ; - К и Ks - проницаемость призабойной зоны соответственно до кольматации и после нее.d - thickness of the clay layer; - K and Ks - permeability of the bottomhole zone, respectively, before clogging and after it.

Анализ расчетов при различных значени х параметров Ks, К, д, Ро. R, соответст- вующих реальным услови м бурени , показал, что угнетающее действие дифференциального давлени обусловлено тем, что все дифференциальное давление срабатываетс на поверхности призабойной зоны . Следовательно, уменьшить угнетающее действие дифференциального давлени можно путем повышени порового давлени , в массиве породы вблизи поверхности забо .Analysis of calculations for various values of the parameters Ks, K, d, Ro. R, corresponding to actual drilling conditions, showed that the inhibitory effect of the differential pressure is due to the fact that all the differential pressure acts on the surface of the bottomhole zone. Consequently, the inhibitory effect of the differential pressure can be reduced by increasing the pore pressure in the rock mass near the bottom surface.

В реальных услови х бурени очищать поверхность забо от глинистой корки не представл етс возможным, поэтому в дальнейших расчетах анализировалась эффективность повышени порового давлени под забоем путем очистки кольцевой зоны на стенке скважины вблизи забо .Under actual drilling conditions, cleaning the surface of the bottom from a mudcake is not possible; therefore, further calculations have analyzed the effectiveness of increasing the pore pressure under the bottom by cleaning the annular zone on the borehole wall near the bottom.

Учитыва , что специально поставленные эксперименты показали, что на фильтрацию глинистых растворов через горные породы при бурении, в основном, вли етTaking into account that specially set experiments showed that filtering clay solutions through rocks during drilling mainly affects

глиниста корка, а не закупорка норовых каналов, будем считать, что сопротивлением сло кольматации в очищаемой зоне на стенках скважины можно пренебречь, т.е. права часть в выражении (1) стремитс к нулю. Поэтому выражение (1) в кольцевой зоне примет вид Р Р0.clay crust, rather than blockage of burrowing channels, we assume that the resistance of the mudding layer in the cleaned zone on the walls of the well can be neglected, i.e. the right part in the expression (1) tends to zero. Therefore, the expression (1) in the annular zone will take the form P Р0.

Анализ результатов численных расчетов показал, что эффективность очистки кольцевой области может быть выражена следующей аппроксимационной формулой:Analysis of the results of numerical calculations showed that the cleaning efficiency of the ring region can be expressed by the following approximation formula:

)6exp(),, 0.) 6exp (), 0.

н n

где Н - высота зоны, мм;where N is the height of the zone, mm;

R - радиус скважины, мм;R is the well radius, mm;

К - безразмерный коэффициент эффективности хольцевой зоны;K is the dimensionless coefficient of efficiency of the Holz zone;

рассто ние от нижней границы кольцевой зоны до поверхности забо , мм. distance from the lower border of the annular zone to the bottom surface, mm.

Дл осуществлени способа в компо- новку низа бурильной колонны включают устройство дл создани у забо зоны с повышенной проницаемостью. В качестве устройства дл удалени корки может быть использован, например, обычный наддолотный переводник, по всей наружной поверхности которого размещаютс щетки или скребки. Высота переводника опреде л етс , исход из указанного выше соотношени . Количество рабочих элементов на поверхности переводника, их расположение и форма должны быть такими, чтобы обеспечить непрерывное удаление корки со стенки скважины, не преп тству движению шлама в кольцевом пространстве. Спо- соб может быть реализован при вращательном бурении с использованием промывочной жидкости, содержащей твердую фазу. Разбуриваемые горные породы должны быть проницаемые, а дифференци- альное давление - больше нул . Тип долота и режим бурени могут быть любыми.In order to implement the method, a device for creating a zone with increased permeability at the bottom of the drill string is included in the bottom hole assembly. As a device for removing the crust, for example, a conventional nadolite sub can be used, with brushes or scrapers placed along the entire outer surface. The height of the sub is determined based on the above ratio. The number of working elements on the surface of the sub, their location and shape should be such as to ensure continuous removal of the crust from the borehole wall, without interfering with the movement of the sludge in the annular space. The method can be implemented in rotary drilling using a washing liquid containing a solid phase. Drilled rocks should be permeable, and differential pressure should be greater than zero. Bit type and drilling mode can be any.

Осуществл ют бурение скважины диа1- метром2Р 215,9мм. Нижн граница кольцевой зоны с повышенной проницаемостью удалена от забо на рассто нии L 2R 215,9 мм. На основании практики бурени в данном районе установлено, что диффе- ренциальное,давление на забой скважины требуетс снизить в 2 раза, т.е. К 2. Под- The well was drilled with a diameter of 2 meters 215.9 mm. The lower border of the annular zone with increased permeability is removed from the hole at a distance L 2R 215.9 mm. Based on the practice of drilling in this area, it has been established that the differential pressure at the bottom of the well is required to be reduced by 2 times, i.e. K 2. Sub-

00

5five

0 5 - 0 5 0 0 5 - 0 5 0

5 050

ставл эти значени в указанное соотношение , получаем, что высота кольцевой зоны Н должна быть не менее 335 мм. В процессе углублени забо устройство, враща сь вместе с долотом и -контактиру своими скребками со стенкой скважины, непрерывно удал ет с ее поверхности слабопроницаемую корку, образующуюс при фильтрации промывочной жидкости. У забо образуетс кольцева зона с повышенной проницаемостью , котора по мере углублени забо перемещаетс вместе с ним. Дифференциальное давление на забой снижаетс и сохран ет свое пониженное значение на прот жении всего долблени .putting these values in the indicated ratio, we find that the height of the annular zone H must be at least 335 mm. In the process of dredging, the device, rotating with the bit and -contacting its scrapers with the borehole wall, continuously removes from its surface a weakly permeable crust formed during filtration of the washing liquid. At the bottom, an annular permeability zone is formed, which moves as the bottom deepens. The differential pressure on the bottomhole decreases and maintains its reduced value throughout the whole slot.

Изобретение позвол ет полностью устранить слабопроницаемую корку, образующуюс на поверхности призабойной зоны. Создаютс более благопри тные услови дл снижени дифференциального давлени , а следовательно, и дл процесса разрушени забо , что обеспечивает прирост механической скорости бурени и проходки на долото.The invention completely eliminates a low permeable crust formed on the surface of the bottomhole zone. More favorable conditions are created for reducing the differential pressure and, consequently, for the downhole destruction process, which provides an increase in the mechanical drilling rate and penetration of the bit.

Claims

Claim Method A method for reducing a differential pressure in a wellbore zone during drilling a wellbore, which consists in increasing the permeability of the well walls in a wellbore zone, characterized in that, in order to increase the effectiveness of decreasing the differential pressure without changing the parameters of the drilling pattern, a clay crust is continuously removed during drilling from the borehole walls of the annular bottomhole zone, while the distance from its lower boundary to the bottom surface and its height are in the following relation : $

H s (K-i) 6exp. (),

where H is the height of the annular bottom zone, m;

R is the well radius, mm;

K is the dimensionless coefficient of the annular bottomhole zone;

L is the distance from the lower boundary of the annular zone to the bottom surface, mm.