бурильный инструмент для бурения сверхглубоких скважин

Формула изобретения

1. Бурильный инструмент для бурения сверхглубоких скважин, включающий связанные между собой бурильные трубы с размещенными внутри последних грузонесущими страховочными линиями для предотвращения аварийного разделения инструмента в случае обрывов по телу трубы, отличающийся тем, что бурильный инструмент разделен на секции, включающие бурильные трубы и все обладающие сквозными полноразмерными промывочными каналами другие комплектующие изделия, при этом внутри упомянутых секций с возможностью установки, съема и замены размещены грузонесущие страховочные линии, закрепленные между ограничивающими каждую секцию нижним и верхним якорными переводниками, причем потребная фактическая прочность на разрыв грузонесущей страховочной линии k-й, считая от компоновки низа бурильного инструмента трубной секции, определяется из следующего соотношения



где P_s(k) потребная фактическая прочность на разрыв страховочной линии k-й трубной секции, Н;

K_s(k) коэффициент запаса прочности на разрыв страховочной линии k-й трубной секции;

l₁, l₂. l_k длины соответственно 1,2. и k-й трубных секций бурильного инструмента, м;

q₁, q₂q _k приведенные веса 1 м компоновок 1,2. и k-й секций, с учетом весов труб, замков, якорных переводников и страховочных линий, размещенных внутри соответствующих секций, Н/м;

_p - плотность бурового раствора, которым заполнена скважина, кг/м³;

₁, ₂..._k - приведенные плотности компоновок 1,2. и k-й секций с учетом всех соответствующих комплектующих элементов, кг/м³

K_R(1), K_R(2).K_R(k) коэффициенты сил сопротивления осевому перемещению в скважине оторвавшихся труб 1,2. и k-й секций при подъеме бурильного инструмента;

G вес компоновки низа бурильного инструмента (КНБИ), Н;

_КНБИ - приведенная плотность КНБИ с учетом весов, объемов и плотностей всех составляющих ее элементов, кг/м³;

K_R(КНБИ) коэффициент сил сопротивления осевому перемещению в скважине КНБИ при подъеме бурильного инструмента.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что грузонесущие страховочные линии выполнены из высокопрочных длинномерных изделий.

3. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что высокопрочное длинномерное изделие представляет собой проволочные или неметаллические канаты.

4. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что высокопрочное длинномерное изделие выполнено в виде труб или штанг.

5. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что высокопрочное длинномерное изделие выполнено в виде полосы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бурению разведочных, добывающих нефтяных, газовых и специальных скважин с научными целями и может быть использовано при комплектовании и эксплуатации бурильного инструмента.

Известно устройство бурильного инструмента для бурения сверхглубоких скважин [1] включающее (снизу вверх) компоновку низа бурильного инструмента (КНБИ), секции легкоплавных бурильных труб, комплектуемые по типоразмерам, прочности и термостойкости в соответствующих заданных интервалах "ходимости", секцию стальных бурильных труб (ТБВК) и рабочую трубу.

Во время подъема бурильного инструмента из скважины на сечение, взятое на любой отметке от стола ротора, действует растягивающее усилие, создаваемое весом всей нижерасположенной части его и силой сопротивления осевому перемещению труб, векторно совпадающей (в вертикальном стволе) с направлением действия весовой нагрузки.

При невозможности контроля и регулирования этих нагрузок в процессе сверхглубокого бурения происходит обрыв инструмента по какому-либо ситуационно оказавшемуся слабому сечению или соединению (телу трубы, замка, переводника, по резьбе и т.п.), что приводит к падению оторвавшейся части инструмента на забой, большим затратам ресурсов на проведение ловильных работ, ликвидации части всей скважины по техническим причинам, срыву программы буровых работ и комплексных исследований вскрываемого разреза земной коры.

Столь высокие вероятности и цена аварийности в бурении обусловлены тем, что при проходе скважин всех назначений в настоящее время практически не используются какие-либо технические средства предотвращения несанкционированного аварийного разделения частей бурильного инструмента.

Между тем известно устройство "безопасной бурильной трубы для бурения нефтяных скважин" (патент США N 2768812, кл. 285-117, опубл. 1956), включающее несущий трубный корпус, снабженный соединительными замковыми муфтой и ниппелем для свинчивания в колонну. В сквозном канале корпуса, примуфтовая часть которого расточена для установки сжатой пружины с опорным шарикоподшипником, размещен имеющий возможность свободно проворачиваться и смещаться в осевом направлении трубчатый вкладыш, снабженный с муфтовой стороны трубного корпуса фланцем, сжимающим упомянутую пружину, а с другой, ниппельной стороны буртом, находящимся в плотном контакте с торцем замкового ниппеля трубного корпуса.

Главный функциональный недостаток описанной конструкции заключается в том, что средство защиты ее от разделения при обрыве несущего корпуса является интегральной частью трубы, зона защитного действия которой ограничена, она простирается от отметки "дна" заполненной пружиной расточки, выполненной в примуфтовой части, до отметки начала резьбы ниппельного конца трубы.

Однако помимо опасности обрыва бурильного инструмента по телу трубы к числу сопоставимых по частотности проявления факторов риска относятся и тело замка, и трубная резьба, и замковая резьба. К тому же применение в компоновке бурильного инструмента "безопасных бурильных труб" в исполнении прототипа в сочетании с конструктивными элементами, не снабженными подобными изложенному защитными техническими средствами, не обеспечивает гарантий предотвращения аварийного разделения и падения части бурильного инструмента на забой скважины.

В свете изложенного возникла необходимость системного подхода к решению проблемы предотвращения аварийности бурильного инструмента, с учетом всей реальной структуры факторов риска. Необходимо оснащать бурильный инструмент универсальной предохранительной противоразделительной системой, способной (в пределах потенциальных прочностных возможностей используемых в ней современных конструктивных материалов) надежно подстраховать компоновку (либо часть компоновки) инструмента от неконтролируемого разбрасывания ее составляющих элементов (при обрывах инструмента) и перекрытия неизвлекаемым металлоломом ствола и забоя буровой скважины.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, упрощение конструктивного исполнения, повышение надежности и эффективности противоразделительной системы бурильного инструмента для бурения сверхглубоких скважин, способной срабатывать при проявлении всего спектра технических факторов риска нарушения целостности (например, обрывов по телу трубы, по телу замка, по конической трубной резьбе, по замковой резьбе и др.) серийных трубных и иных изделий, обладающих сквозными полноразмерными промывочными каналами, путем оснащения трубных секций аварийной противоразделительной страховочной линией, грузоподъемность которой превышает силы, действующие на бурильный инструмент в пределах и ниже соответствующего участка размещения этой линии.

Для достижения поставленной цели предложен бурильный инструмент для бурения сверхглубоких скважин, включающий связанные между собой бурильные трубы с размещенными внутри последних грузонесущими страховочными линиями для предотвращения аварийного разделения инструмента в случае обрывов по телу трубы, отличающийся тем, что бурильный инструмент разделен на секции, включающие бурильные трубы и все обладающие сквозными полноразмерными промывочными каналами другие комплектующие изделия, при этом внутри упомянутых секций с возможностью установки, съема и замены размещены грузонесущие страховочные линии, закрепленные между ограничивающими каждую секцию нижним и верхним якорными переводниками, причем потребная фактическая прочность на разрыв грузонесущей страховочной линии "K"-ой, считая от компоновки низа бурильного инструмента, трубной секции определяется из следующего соотношения:



где:

P_S(K) потребная фактическая прочность на разрыв страховочной линии "K"-ой трубной секции, H;

K_S(K) коэффициент запаса прочности на разрыв страховочной линии "K"-ой трубной секции;

l₁; l₂.l_K длины 1, 2 и "k"-ой трубных секций бурильного инструмента, м;

q₁; q₂.q_K приведенные веса 1 м компоновок 1, 2 и "k"-ой секции с учетом весов труб, замков, якорных переводников и страховочных линий, размещенных внутри соответствующих секций, H/м;

_р плотность бурового раствора, которым заполнена скважина, кг/м³;

₁; ₂ ... _k приведенные плотности компоновок 1, 2 и "k"-ой секции, с учетом всех соответствующих комплектующих элементов, кг/м³;

K_R(1); K_R(2).K_R(k) коэффициенты сил сопротивления осевому перемещению в скважине оторвавшихся труб 1, 2 и "k"-ой секции при подъеме бурильного инструмента;

G вес компоновки низа бурильного инструмента (КНБИ), H;

_КНБИ приведенная плотность КНБИ с учетом весов, объемов и плотностей всех составляющих ее элементов, кг/м³;

K_R(КНБИ) коэффициент сил сопротивления осевому перемещению в скважине КНБИ при подъеме бурильного инструмента.

Грузонесущие страховочные линии секций бурильного инструмента выполняются из высокопрочных длинномерных изделий, представляющих собой проволочные или неметаллические канаты, трубы, штанги, полосы и т.п.

На чертеже приведен бурильный инструмент, где а показана характерная компоновка бурильного инструмента для расширения опережающего ствола в сверхглубоких скважинах, б разрез снабженных страховочными линиями самой нижней профильной части компоновки низа бурильного инструмента (КНБИ) и первой секции бурильного инструмента, в общий вид КНБИ и свинченной с ней нижней секции бурильной колонны, оснащенных грузонесущими страховочными линиями.

КНБИ для расширения опережающего ствола (а) включает долото 1, утяжеленные бурильные трубы (УБТ) первого, относительно малого типоразмера 2, расширитель-калибратор первой ступени 3, расширитель второй ступени 4, дисковый расширитель третьей ступени 5, УБТ относительно большего типоразмера 6, УБТ промежуточного среднего типоразмера 7.

Грузонесущая страховочная линия 8 КНБИ (б) размещена внутри последней между нижним 9 и верхним 10 якорными переводниками, оснащенными соответственно головкой 11 под захват овершотом 12 и подвеской 13.

К секции КНБИ сверху подсоединена нижняя секция бурильных труб 14 (б), внутри которой размещена грузонесущая страховочная линия 15, закрепленная между нижним 16 и верхним 17 якорными переводниками, оснащенными соответственно головкой 18 под захват овершотом 19 и подвеской 20.

Предложенный бурильный инструмент работает следующим образом.

Допустим, что в процессе проходки ствола скважины КНБИ выходит из строя из-за обрыва утяжеленной бурильной трубы относительно большого типоразмера 6 по замковой резьбе. Однако эта поломка не приводит к аварии, как это принято понимать в бурении, поскольку отделившаяся часть инструмента не упала за забой благодаря наличию грузонесущей страховочной линии 8 (б), способной выдерживать гораздо большие нагрузки, чем вес используемого типа и состава КНБИ.

Рассмотрим более сложную аварийную ситуацию: обрыв по телу бурильной трубы в верхней части секции 14 (б). В базовом случае (при отсутствии грузонесущей страховочной линии 15) это привело бы к классической аварии - оставлению в стволе скважины части бурильного инструмента (КНБИ и оторвавшейся части нижней секции бурильных труб). При наличии каверн в открытом стволе "голова" (образовавшийся торец) аварийной трубы может запасть в сторону, т. е. уйти в пространство каверны, что исключает возможность соединения с оторвавшейся частью бурильного инструмента с помощью традиционных ловильных средств, ликвидировать аварию и добурить ствол скважины до проектной отметки. При таких обстоятельствах для спасения скважины и затраченных средств применяют известные технологические процедуры ликвидации заполненного металлоломом аварийного ствола по геологотехническим причинам, установки цементного моста выше предполагаемой отметки потерянной "головы" оторвавшейся части бурильного инструмента, зарезки и проходки обводного ствола до отметки забоя оставленного аварийного ствола, т.е. до восстановления позиции, которая была в буровой скважине накануне события обрыва по телу трубы в верхней части секции 14 (б). Затраты календарного времени, материальных, трудовых и энергетических ресурсов за весь период напряженных работ, осуществляемых буровой бригадой между событием аварии и моментом повторного достижения отметки забоя ранее оставленного аварийного ствола, это дорогая расплата за непредсказуемость реального режима эксплуатации, динамики технического состояния бурильного инструмента и, наконец, за отсутствие адекватной системы надежной механической подстраховки его от разделения, неконтролируемого полета вниз по стволу и превращения в неизвлекаемый металлом в случае обрыва трубы, размещенной в наиболее уязвимой и наименее досягаемой для средств контроля нижней части инструмента, эксплуатируемой в открытом осложненном стволе буровой скважины.

В отличие от изложенной достаточно типичной ситуации при обрыве инструмента по телу бурильной трубы в верхней части секции 14 (б), оснащенной до этого ничем не загруженной страховочной линией 15, последняя в момент обрыва трубы воспринимает и удерживает вес всей компоновки отделившейся части секции бурильного инструмента 14 плюс вес КНБИ. В начале подъема на дневную поверхность аварийного бурильного инструмента к создавшейся таким образом весовой нагрузке на страховочную линию 15 добавляются силы сопротивления осевому перемещению КНБИ и оторвавшейся части секции 14. При этом надежность страховочной линии 15, условно характеризуемая критерием ее грузонесущей способности, обеспечивается подбором материала, из которого выполнено это изделие, а также назначением соответствующего "надежного" коэффициента запаса прочности страховочной линии на разрыв.

Длина "K"-ой (считая от КНБИ) трубной секции бурильного инструмента определяется на основе анализа ряда технико-технологических и организационных соображений, в том числе:

анализа опыта ликвидации соответствующего типа аварий бурильного инструмента, представленного в его обычной (базовой) компоновке и комплектации, на этапах проходки верхних интервалов данной скважины при подобных режимах бурения и нагружения нижней части инструмента, работающей в незакрепленном участке ствола;

изучения феноменологии событий и ликвидации последствий обрывов инструмента, имевших место при проходке предыдущих скважин, при прочих равных геолого-технических и технологических условиях в пределах разрабатываемой разведочной площади;

оценки потребной фактической прочности на разрыв материала длинномерного изделия, из которого изготовлена страховочная линия;

анализа технологичности процедур монтажа и демонтажа страховочной линии секции труб соответственно при спуске и подъеме бурильного инструмента;

оценки совместимости теплофизических свойств материалов труб, используемых в секциях бурильного инструмента, и материалов, смонтированных внутри этих секций соответствующих страховочных линий.

Для изготовления страховочных линий секций бурильных труб можно использовать длинномерные изделия (проволочные и неметаллические канаты, трубы, штанги, полосы и др.), способные выдерживать большие разрывные усилия. В этом отношении большой интерес представляют разработанные в последние годы новые синтетические материалы, например, сверхпрочные углеродные волокна производственного объединения "Химволокно". Проволока из такой нити диаметром в один миллиметр выдерживает стокилограммовый груз. Сплетенный из таких волокон канат диаметром 11,3 мм способен выдерживать десятитонный груз.

Еще более компактные (по критерию минимальной площади поперечного сечения) страховочные канатные линии можно изготавливать из высокопрочного ориентированного слоистого органопластика, разработанного Всероссийским институтом авиационных материалов (ВИАМ). При плотности 1350 кг/м³ этот композиционный материал, получаемый выкладкой из однонаправленных лент - препрегов на основе арамидных смол и связующих расплавов, обладает пределом прочности на растяжение, варьирующим в диапазоне от 1500 до 2000 МПа. При этом названный материал обладает устойчивостью к воздействию условий эксплуатации бурильных труб при проходке сверхглубоких скважин.

Бурильный инструмент для бурения сверхглубоких скважин монтируют и подготавливают к эксплуатации следующим образом.

По современной технологии осуществляется сборка и спуск в скважину элементов компоновки низа бурильного инструмента для расширения ранее пробуренного пилотного ствола (при вращении инструмента ротором), представленной, например, на чертеже, б. Отличие состоит в том, что непосредственно над долотом 1 размещают нижний якорный переводник 9, снабженный головкой 11 под захват овершотом 12. В позиции разгрузки собранной КНБИ в клиньях ротора (клинового захвата) либо на столе ротора с помощью элеватора осуществляется оснащение компоновки этого типа страховочной линией 8, изготовленной из куска проволочного каната.

Как об этом упоминалось выше, нижний конец каната оснащен овершотом 12, корпус которого снабжен продольными пазами для беспрепятственного протока жидкости и центрирования овершота в промывочных каналах элементов КНБИ.

По достижении нижней отметки промывочного канала овершот 12 захватывает головку 11 нижнего якорного переводника 9. При этом срабатывает и фиксирует позицию захвата головки 11 рычажный механизм овершота 12. Надежность захвата проверяют контрольной натяжкой страховочной линии 8. Вслед за этим в замковую муфту самого верхнего трубного элемента (УБТ) КНБИ ввинчивают верхний якорный переводник 10, к подвесному устройству которого 13 закреплен верхний конец страховочной линии 8. При этом последняя, будучи надежно зафиксирована к нижнему 9 и верхнему 10 якорным переводникам, не подвергается какому-либо предварительному натяжению с тем, чтобы не оказывать влияния на установленные режимы рабочих нагрузок, действующих на элементы КНБИ при отработке породоразрушающего инструмента в процессе расширки ствола скважины.

В нормальной рабочей позиции при сохранении целостности КНБИ размещенная внутри нее страховочная линия 8 нагружена только собственным весом.

По окончании монтажа страховочной линии 8 внутри КНБИ на ее верхний якорный переводник 10 навинчивают нижний якорный переводник 16 секции бурильных труб 14 и осуществляют спуск последней в скважину на всю ее длину.

В позиции разгрузки спущенной части бурильного инструмента в клиньях ротора (клинового захвата) либо на столе ротора с помощью элеватора производится монтаж страховочной линии 15 внутри трубной секции 14 бурильного инструмента в полном соответствии с изложенной процедурой.

Таким образом, последовательно одна за другой монтируются страховочные линии в секциях нижней части бурильного инструмента, которая эксплуатируется в потенциально наиболее опасном незакрепленном обсадной колонной открытом стволе скважины.

При этом следует отметить, что для снижения аварийности бурильного инструмента, используемого при проходке скважин любых глубин и конструкций, страховочными линиями следует оснащать все его секции. Такая возможность представляется при использовании для этих целей упомянутых новейших синтетических материалов, длинномерные изделия из которых способны выдерживать запредельные (по сравнению с традиционными конструкционными материалами) нагрузки. При таких условиях открывается возможность изготавливать, устанавливать и эксплуатировать весьма прочные, легкие и приемлемые компактные (по диаметру и сечению) страховочные линии.

Для спуска и подъема канатных (тросовых, кабельканатных, и др.) страховочных линий во время их монтажа в секциях бурильных труб и демонтажа при подъеме бурильного инструмента целесообразно применять специально разработанную лебедку с быстросъемными барабанами, на страховочную линию каждой секции отдельный барабан. При этом желательно, чтобы привод такой компактной лебедки обеспечивал возможность плавного регулирования скоростей вращения барабана.

Бурильный инструмент для бурения сверхглубоких скважин, включающий трубные секции, оснащенные смонтированными внутри них грузонесущими страховочными линиями, комплектуют, обслуживают, эксплуатируют и контролируют в соответствии с действующими отраслевыми и региональными нормативами и положениями, регламентирующими аналогичные направления специализированного сервисного и текущего обслуживания, практикуемые в установленном порядке при проходке сверхглубоких скважин с использованием обычных традиционных компоновок бурильных колонн.