Способ бурения скважины

3 СН АНИЕ ИЗОБРГТНИЯ 1 д Бс 6.и К ПАТЕН Комитет Российской Федерации по патентам и тонарцым знакам(76) Покровская Галина Алексеевна(54) СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ(57) Изобретение относится к бурению, в частностик способу бурения скважин. Сущность изобретения.способ бурения скважины заключается во вращении породоразрушающего инструмента и подачипромывочной жидкости, циркулирующей в замкну -той гидравпическо системр. в которой на забое генерируются колебания от внешнего источника. Новым в способе лвллетсл то, что вращение иорадоразрушающсго инструмента пооизяоцлт с постоянной частотой, про;орц,;оа оной нагрузке на нем и расходу промывочтой жидкости, при этом на за - бое создаот вынужденные котебанил, фаза кото - рых совпадает с фазой собственных колебаний гидравлической системы. У ип, 2002024Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для регионов, в которых условия очистки забоя скважин несовершенны, что приводит к резкому падению показателей бурения,Кроме того, изобретение может быть ис-, пользовано при эксплуатации скважин для очистки нефтепроводов от парафина.Известен способбурения скважины, заключающийся во вращении породоразруша,ощего инструмента при высокоскоростной гидромониторной) промывке забоя скважины, Вращение породоразрущающего инструмента производят забойным двигателем при заданном расходе бурового раствора и нагрузке на породоразрушающем инструменте,К недостаткам этого способа бурения с гидромониторной системой промывки забоя относится то, что режим недостаточно эффективен для некоторых геологических разрезов, сложенных вязкопластичными породами типа глин, алевролитов, аргиллитов с пропластками известняков и мергелей. При известных режимах этого способа бурения, определяемых заданными значениями управляющих параметров - расходом бурового раствора и нагрузкой на породоразрушающий инструмент - на забое создается ос ожнснное сос 1 ояние; образование фильтрационной корки с последующим ее наращиванием, При этом контакт зубцов шарошки долота (породоразрушающего инструмента) с породой становится минимальным, Это проявляется в резком падении механической скорости бурения и может привести к аварийным ситуациям.Наиболее бльрким техническим решением является способ бурения скважин, заключающийся во вращении породоразрушающего инструмента и подачи промывочной жидкости, циркулирующей в замкнутой гидравлической системе, в которой на забое генерируются колебания от внешнего источника. Собственные колебания в замкнутой гидравлической системе экранируются и не участвуют в процессе промывки забоя. Существенным недостатком этого способа является то, что источник вынужденных колебаний расположен над породоразрушающим инструментом - долотом и его воздействие на забой недостаточнс эффективно, при этом повышение механической скорости бурения незначительно 20-40 Я, так как система промывки забоя содержит только однородные волны олебания давления плотности),5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 Таким образом указанный способ промывки характеризуется воздействием периодических упругих колебаний давления в скоростной струе на забое скважины и связанным с ним повышение механической скорости бурения,Способ опирается на установленный факт, что при снижении забойного давления в статическом режиме механическая скорость проходки увеличивается,Следует также отметить, что в способе неправильно оценена физическая сущность и направленность, в частности, волновых процессов в промывочной жидкости призабойной эоны,Так, вызывает сомнение утверждение, что увеличение напора струи оказывает влияние на улучшение очистки забоя пропорционально росту напора.Экспериментальными исследованиями автора установлен факт, что существуют предельные значения напора в зависимости от глубины забоя скважины, с увеличением значений которых показатели проходки начинают падать.Из полученных автором результатов следует, что существуют предельные значения расхода бурового раствора, нагрузки на долоте и частоты вращения долота, начиная с которых механическая скорость бурения начинает резко падать,Кроме того, в описании способа утверждается, что снижение дифференциального давления на забое происходит при условии увеличения скорости струи на забое и нагрузки на долоте-породоразрушающем инструменте. Это также противоречит экспериментальным результатам, полученным автором, Кроме того, высоконапорная струя снижает воздействие пульсаций, этот факт также свидетельствует о том, что скорость струи на забое должна быть ограничена,Целью предлагаемого способа является повышение скорости бурения при повышении надежности и долговечности бурового оборудования,Поставленная цель достигается тем, что в способе бурения скважины, заключающемся во вращении породоразрушающего инструмента и подачи на забой скважины потока промывочной жидкости, циркулирующей в замкнутой гидравлической системе, в которой на забое генерируются колебания от внешнего источника, согласно изобретению, вращение породоразруглающего инструмента производят с пос 1 ояной частотой, пропорциональной нагрузке н породоразрушающем инструменте и расходу промывочной жидкости, при э,ом на забое10 15 20 25 30 35 40 создают вынужденные колебания, фаза которых совпадает с фазой собственных колебаний гидравлической системы,Предлагаемый способ бурения позволяет стабилизировать процесс бурения, в частности, работу циркуляционной системыпромывки скважин, что повышает надежность и долговечность бурового оборудования до 50.Разработанная система, адаптируощаяся и самонастраивающаяся к резонансу, создает условия для возрастания механическойскорости бурения до 100 и выше относительно традиционного гидромониторного режима промывки, Кроме того, такая системапромывки позволяет сделать процесс бурения экологически чистым, так как при этомдепрессия на пласт является минимальной.В соответствии с одним из вариантоввыполнения изобретения генерируат частоту вынужденных колебаний давления впромывочной жидкости, не превышающуо100 Гц. Этот вариант выполнения изобретения целесообразно использовать при проходке устойчивых вязкопластичных пород,В другом варианте выполнения изобретения в промывочной жидкости генерируютчастоту вынужденных колебаний давления,превышающую 100 Гц. Такой вариант выполнения изобретения целесообразно использовать при проходке неустойчлвыхгеологических разрезов.В предпочтительном варианте выполнения изобретения отношение частот собственных и вынужденных колебаний волндавления в промывочной жидкости выражается числами натурального ряда.Такой вариант выполнения изобретенияпозволяет за счет создания различныхуровней турбулентной энергии, соответствующих различным значениям отношенийчастот собственных и вынужденных колебаний (пульсаций) давления, волн плотности,получать различные гидроэнергетическиеуровни эффективности промывки забоя, 4Таким образом предлагаемый способспособствует повышению долговечностиоборудования. Наибольший эффект от использования резонансного режима можетбыть получен при разбуривании, так называемых, вязкопластичных пород - глин, аргиллитов, алевролитав, разбуриваниекоторых приводит к осложненному состоя;нию бурового раствора на забое, прихватуинструмента. Ликвидация таких аварийных 5ситуаций требует дорогостоящих операций- проработки ствола скважины, восстановления циркуляции промывочной жидкостивдоль ствола скважины. Резонансный режим промывки способствует высокотурбулентному режиму промывки, каторьй предупреждает такие аварийные ситуации в процессе бурения,Сравнение заявляемого технического решения с прототипом глэволяет установить соответствие ега крите."1 ю "Новизна".При изучении других известных решений в данной области техичаскис -р"паки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решениа соответствие критерию "Существенные отличия".Нз фиг.1 представлен график изменения абьема закачиваемой промывочной жидкости в колонну бурильных труб в зависимости ат глубины Забоя скважины и бури- мости горной парады; на фиг.2 - график изменения нагрузки на породоразаушающий инстр е 1з и:ь 1 мыот глубины забоя и коэФФициента буримости горной парады; на Фиг,З - график изменения значений собственной частоты колебаний давления в данной гидравлической системе в зависимости ат ее протяженности (длины); на фиг.4 - график зависимости реалогических параметров; эффективной вязкости и касательных напрякегий трения в слоя жидкости от степени турбулизации промывочной жидкости и градиентов скоростей сдвига в ней; на Фиг,5 - график изменения амплитуды давления в зависимости от соотношения собственных и вынужденных частот колебаний: на фиг.б - схема резонансного потока г,рамывочнай жидкости; на фиг,7 - график зависимости механической скорости бурения от параметров бурения при использовании предлагаемого способа бурения винтовым забойным двигателем. Способ вкгпачает в себя два этапа управления процессом бурения:1) стабилзациа режима работы подсистемы буровые насосы-колонна-забойный двигатель-долота-порада;2) создание высокатурбулентнаго потока промывочной жидкости на забое скважины.Для реализации первого этапа управления разрабатаны алгоритмы агтимального управления режимом бурения забойным двигателем. Для зтога гпстраеналгоритм стабилизации режима 1 збати гидравлической системы от наса-.адзабою, при этом учитьваатся прад- калебания в промывочной жидков 11, о,званные раакцией забоя и инт и,динамической нагрузкой на парол";шающем инструменте, 200202420 30 40 Результатом реализации алгоритма управления процессом бурения является то, что вращение инструмента производят с постоянной частотой, пропорциональной нагрузке на инструмент и расходу промывочной жидкости согласно законам изменения их, представленных на фиг.1,2. При этом в гидравлической системе создаются собственные частотц колебаний давления, которые изменяются в зависимости оглу 61 ны забоя, как это показано на фиг,З, я также спектр чэстот, создаваемь 1 х на эа:,:."1 пм двигателе и передаваемых на забой 1,КВЯЖИ 1 Ь 1.Кро:г 1 е ГОГО, Вблизи заооя созДают Вц 11 ух:.,15,О 1-111 ые ебани, фаза которых совпа,.5 ает с фазой собственных колебаний гидравли 1 еской системц, Постоянная час ОТЯ ВРЯЩЕНИЯ ПОРОДОРаэРУШаОЩЕГО ИНСтруме 11 та Определяется заданным перепадом Давления на забойном двигателе в гидравлической системе,Согласно фиг.4 при высокочастотных кслебаниях давления в промывочной жидкости (породе) плотности возрастают, поэтому высокочастотное воздействие используется при проходке неустойчивых геол Гн ических раэоеэов с использованием в качес 1 В е забойного дщгателя-турбобура. При низкочастотных колебаниях давления. П :11 Ы Г ОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ПЛОТНОСТЬ П РОМЫ- во л КОЙ жидкости и породы уменьшения, поэтому такой механизм лучше использовать . при проходке устойчивых пород с использованием винтовых забойных двигателей.Автором установлены закономерности влияния резонансного режима течения промывочной жидкости в призабойной зоне на разгрузку забоя от дифференциального давления, или иначе, создания эоны понижен. ного давления, предразрушение породы и снятие и предупреждение образования фильтрационной корки на поверхностях призабойной зоны.Под квазирезонансным режимом промывки забоя автор подразумевает управляемый пульсационнцй режим, при котором отношение собственных 6 и Вынужденнцх 1 ь частот колебаний давления выражается числами натурального ряда, то есть удовлетворяет условию;- (1)Учитывая, что резонансные кривые возрастания амплитуды давления зависят из соотношения 1 Ль, то соответственно происходит возрастание амплитуды их результирующей составляющей (фиг,5), Очевидно, инетическая энергия такого пульсационного потока пропорциональнаширине частотного спектра,)1 и отношению 11 Ль, .Таким образом, каждые частотно-волновые взаимодействия пары собственных и Вынужденных частот +(Г 1) " Нь) ВнОсит Определенный вклад в развитие турбулентности, Возника 1 О 1 цял энергия Взаимодействия передается В пограничный слой, захватывая все более глубокие уровни пограничного слоя на поверхноси забоя, проникая также в пороцу призабойнои зоны, тем самым соэдавая эффект предраэруп:ения породы (фиг.б). Малые возмущения, создаваемые ОСЦИЛЛЯТОРЯми (1" ), рЗСпРОСтРя, Л 1 отся СО скорость 10 звука, хяряктернОЙ дл, данной среды, в том числе породь 1, что приводит к ее переструктуриэяции, то есть изменен 1 ию коллекторскиУ свойс Гв Г 1 ород, При этом, если каждая иэ частотных сосГЯВля 1 ощих Волнового процесса меньше 100 3 ц, то ПРОИСХОДИТ ПОНИЖЕНИЕ ВЯЭКОСГИ и ПЛОТНОсти среды, иначе говооя, повышение проницаемости пласта, При Вышеназванных процессах, когда чястот 1;ь,е соста Вля юш ие превыша 1 от 100 Гц, В среде пр 11 распространении малых Возмущений происходит псвышение вязкости и плот 11 ости.ПОДтвержДенисм Данной Гипотезы являеся Важный Г 1 ряктический 1 эеэультят - повышение механической скорости бурения, долговечности и надежности Оборудования(таблица). Минимальное депрессионное воздействие на пласт, то есть разгрузка забочая от динамичеГ 5 кого давления, способствует экологически чистой технологии бурения скважин. Кроме того, это позволяет создавать услОВия для притока фл 1 оидя иэ пласта. Разработанный способ основан на использовании низкообаротного бурения сква)кин забойными двигателями в зависимости от класса разбуриваемых пород: турбобкер создает высо кочасто п 1 ые колебй 1 ия,Винтовой забойный двигатель - ниэкоча"стотн ые.Частота вращения долота зависит от частоть 1 вращения забойного Двигателя пропорционально расходу промывочнойжидкостив= К,СИнтегрируя систему дифференциальных уравнений, описываащую модель работы циркуляционной системы промывкискважин, получаю решения относительнаоптимальных значений расходов и нагрузокна долоте в виде графических зависимостей;Д = Р 1(Н); С = Р 2(Н), (3)представленныл на фиг.1, 2,криволинейными областями, уточненных экспериментальными данными, которые расширя:ат этиобласти.Анализ полученных решений выявил Основные тенденции изменения параметровсистемы, в том числе собственных частотколебаний давления (фиг.З), на асноое которых рассчитаны параметры системы, самонастраивающейся к резонансу.Генеаируемая энергия потока, согласноуравнению частотной энергии, имеет вид:ОИв/ =- - у - ВОЯк+ХЧг (Аь й, Ь), (4)27 гтем самым устанавливается связь между а , -плитудными и частотными составляющимипульсационнаго пооцесса,Для реализации разработанной системы управления процессом бурения при усл,овии стабилизации работыциркуляционной слстемы используется насосная система, обеспечивающая переменную подачу промывочной жидкости позаданному закону (фиг,1) и автоматическаясистема подачи нагрузки на долоте согласно заданному закону (фиг.2).Для реализации квазирезонанснаго режима используется турбобур или винтовойзабойный двигатель с зубковым долотом соответствующего диаметра, зависящего отглубины скважины, Следует учесть, что долота по определенному закону создаотпульсации в суспензии призабойнай зоны:1 в = ш 17 ш, (5)где- передаточная функция от забойногодвигателя к долоту;в - частота вращения долота;Еш - число зубцов долота,Зубок долота, кроме определенногавоздействия на породу, создает двойнойволновой эффект: при входе в породу-ударное воздействие, и привыходе из породы -волну разрежения.Скорость распространения малых возмущений, соответствующих скорости распространения в данной среде, зависит отсвойств горной породы или суспензии призабойной эоны, поэтому составляющие возмущений (пульсаций) на забое имеютширокий переменный спектр.Если бурение Осуществляется в устойчивых геологических разрезах, то частоты 10 15 20 25 З 0 35 40 45 колебаний давления как собственныетак и вынужденные 1 ь не должны превышать 100 Гц. При проходе неустойчивых геологических разрезов частоты колебаний давления допускают значения Вь.ше 100 Гц, Однако резонансное условие (1) по-прежнему должно выполняться.Процесс стабилизации работы циакуляционной системы громывки скважины согласно результатам испытан; гт,г.: варлант 1) создает условие для п Вышенля далговечности Оборудования на 100; с повышением механической скорости бурения на 50 ф относительно известного способа бурения.В варианте 1 таблицы приведены Оезультаты паамыславь х испытани, полученных при использовании известнога способа бурения скважины и предло аемага способа с гидраманитарнай промь.окой забав при условии стабилизации Габаты циркуляцнонси систеО,Варианты 2 и 3 таблицы паказьоаат результаты испьта ия предлагаемагс сп.- саба бурения с квазиреэанансной системой промывки забоя относительно иэвестнага способа бурения адекватных геологических разрезов.ОсноВыоаясь на результатах паооедс" ных испытаний, автор считыоаег, чта макси" мальный эффект от использс Ванно управляемага процесса бурения коаэипал - резонансной системсй прамьоки забоя скважин может бьть пал чан пр" зноче;ия режимных параметров, соответствующих раСЧЕтНЫМ(фИГ.1, 2) удаВЛЕТВаря;ОщИх уСЛО. виям оптимального бурения согласна геа;О- гическим условиям.Таким образом, имея о виду, .п ;зкгабаратныо туабабуры созда:От Вь.сакачостотный режим промывки, нх неабхади; э использовать при Оурении неустойли:ых пород - хрупких глин, песчаников, Бинтовые забойные доигателл способствуют са. зданиа ниэкочастатнь 1 х сабствен.- ьх частот колебаний в системе (фиг,З), поэтому их рекомендуется испольэовать при проходке вязкапластичных паоад.Кроме того, разработанный ге:ч бурения забойным двигателем па:гал.ет СО- гласно заложенной модели , и:Волен я процессом бурения, создаоат,:, и" нг; оные дифференциальное давление на з: ,ас и перепад давления на долоте, а лк;:. О;тимал ьн ые гидродинамические на груз; о буровое оба оудование, чта зна чите л ы. О В- личивает сроки службы обарудаоачи, л" оых установок.Один цикл ликвипации авап. й,-х г" аций совместно с прастОем буровой ОНГ.ВСпособ бурения по механической скопо ресурсу долота ости Вариант 1 1208-1290 Известный Предлагаемый3100-3500Г вается приблизительно в миллион рублей. На фиг,7 представлены экспериментельные зависимости механической скорости бурения от режимных параметров бурения для глубины забоя 2300: частоты авращения 5 долота или забойного двигателя, нагрузки 6 на породораэрушающем инструменте, расхода 0 бурового раствора, из которых слеФормула и зоб рете н и я 1. СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ, заключающийся во вращении породоразрушающего инструмента и подаче на забой 15 скважины промывочной жидкости, циркулирующей в замкнутой гидравлической системе, в которой на забое генерируются колебания от внешнего источника, отличающийся тем, что, с целью повышения ско рости бурения при повышении надежности и долговечности бурового оборудования, вращение породоразрушающего инструмента производят с постоянной частотой, пропорциональной нагрузке на нем и рас ходу промывочной жидкости, при этом на дует, что при попадании значений этих параметров в область "резонанса" получаютрезкий прирост показателей бурения,(56) Вадецкий Ю.В, "Бурение нефтяных игазовых скважин", 1984, Недра (Москва),с,49-61,Патент США ЛЬ 3405770,175-56(прототип). Соотношение в показателей б ения забое создают вынужденные колебания, фаза которых совпадает с фазой собственных колебаний гидравлической системы,2. Способ по п,1, отличающийся тем, что генерируют частоту вынужденных колебаний давления, не превышающую 100 Гц.3, Способ по п,1, отличающийся тем что генерируют частоту вынужденных колебаний давления, превышающую 100 Гц.4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что отношение частот собственных и вынужденных колебаний давления промывочной жидкости выражается числами натурального ряда2002024 Составитель Г.ПокровскаяТехред М, Уоргентал р С. Кулако аказ 3160 Подписнотентаушскав наб., 4/5 113 5, Мо ий комбинат л тент", г, Ужгород, "л. Гагаоина 1Про Водстйенно-из те ТиражНПО "П оиск" Рос а, Ж, Р орректор Л,Ливринц