способ создания осевой нагрузки на забой горизонтальной скважины и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ создания осевой нагрузки на забой горизонтальной скважины, включающий создание осевой нагрузки на буровой инструмент, разрушение породы на забое скважины и периодическую подачу инструмента на забой по мере разрушения породы, отличающийся тем, что осевую нагрузку на буровой инструмент создают один или несколько последовательно расположенных блоков, состоящих из пускового и силового гидроцилиндров, полые штоки которых соединены золотником, а периодическую подачу бурового инструмента осуществляют циклами длиной, равной сумме длин хода каждого силового гидроцилиндра.

2. Устройство для создания осевой нагрузки на забой горизонтальной скважины, содержащее связанные с бурильными трубами забойный двигатель и буровой инструмент, отличающееся тем, что оно включает один или несколько последовательно расположенных блоков, состоящих из пускового и силового гидроцилиндров, полые штоки которых соединены золотником, а силовой гидроцилиндр каждого блока сопряжен с последующим блоком или с забойным двигателем посредством шлицевой или квадратной трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области газо- и нефтедобычи и может найти применение в бурении горизонтальных скважин с большим горизонтальным смещением забоя относительно устья, когда вертикальная составляющая собственного веса колонны бурильных труб или усилие инжектора колтюбинговой установки не достаточны для создания технологически требуемой величины осевой нагрузки на буровой инструмент.

Известен классический способ создания осевой нагрузки на забой, связанный с периодической подачей бурового инструмента путем последовательного опускания колонны бурильных труб в процессе бурения по мере разрушения буровым инструментом породы на забое (см. Элияшевский И.В., Стронский М.Н., Орсуляк Я.М. Типовые задачи и расчеты в бурении. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1982. - С.129-133). Недостатком такого способа при бурении горизонтальных скважин с большим смещением забоя является разница между вертикальной составляющей веса колонны, используемой для создания нагрузки на забой, и силами трения труб о стенки скважины на криволинейном и горизонтальном участках ствола, в результате чего осевая нагрузка не достигнет забоя и бурение не может быть продолжено.

Известны гидравлические нагружатели МПД, выпускаемые НПО «Буровая техника» для всех диаметров (55-240 мм) компоновки низа бурильной колонны, а также дифференцированный гидравлический усилитель давления на долото ДГИ и секционный дифференциальный гидравлический нагружатель и гаситель колебаний ДГИ и ГК-195 производства ООО ПФК «Недра-с». В этих устройствах осевая нагрузка на забойный двигатель и долото образуется за счет перепада давления на поршнях гидроцилиндров-нагружателей. Величина осевой нагрузки регулируется сменными насадками. При прохождении бурового раствора через насадки с малым проходным сечением (дроссели) возникает перепад давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров-нагружателей, вследствие чего на поверхности поршней возникает гидравлическое усилие, которое передается на полый вал и создает осевую нагрузку на забойный двигатель и буровой инструмент. Недостатком таких устройств является то, что осевое усилие на буровой инструмент создается при любом перепаде давления в поршневой и штоковой полости гидроцилиндра и даже при неработающем забойном двигателе, а подавать осевую нагрузку на неработающий буровой инструмент не рекомендуется.

Известны также способ создания осевой нагрузки на забой и устройство для его осуществления (см. Патент РФ на изобретение № 4385625/03), принятые в качестве прототипа. Сущность способа заключается в том, что осевую нагрузку создают силовым гидроцилиндром с поршнем при неподвижной бурильной колонне, а периодическую подачу бурового инструмента осуществляют импульсами. Силовой гидроцилиндр соединен с бурильными трубами посредством шлицевой насадки. Поршневые полости одного или нескольких последовательно установленных поршней постоянно соединены с промывочной жидкостью через радиальные калиброванные отверстия в штоке, и, следовательно, осевая нагрузка на буровом инструменте создается при любом перепаде давления промывочной жидкости во внутритрубном и в затрубном пространстве, и даже тогда, когда забойный двигатель еще не работает. Недостатком такого способа создания осевой нагрузки на забой и устройства для его осуществления является то, что осевое усилие на буровой инструмент создается при любом перепаде давления в поршневой и штоковой полости гидроцилиндра и даже при неработающем забойном двигателе, а подавать осевую нагрузку на неработающий буровой инструмент не рекомендуется.

Задачей изобретения является повышение эффективности бурения горизонтальных скважин за счет создания технологически необходимой осевой нагрузки на забой, а также обеспечения стабилизации величины этой нагрузки во времени.

Задача изобретения достигается тем, что увеличение осевой нагрузки на забой производится за счет сил упругости сжатия бурильной колонны, удерживаемой трением о стенки ствола скважины, для чего над долотом и забойным двигателем устанавливается устройство, создающее в нужное время осевую нагрузку заданной величины. Причем устройство включает один или несколько последовательно соединенных блоков, состоящих из пускового и силового гидроцилиндров, полые штоки которых соединены золотником, а силовой гидроцилиндр каждого блока соединен с последующим блоком или с забойным двигателем посредством шлицевой или квадратной трубы. Периодическая подача бурового инструмента осуществляется циклами, которые имеют длину, равную сумме длин хода каждого силового гидроцилиндра.

Продолжительность цикла непрерывной работы бурового инструмента L_ц будет равна суммарной величине перемещений штоков всех силовых гидроцилиндров:

,

где n - количество последовательно соединенных блоков, состоящих из пускового и силового гидроцилиндров;

l_x - перемещение штока одного силового гидроцилиндра.

Осевая нагрузка на забой создается, когда забойный двигатель после промывки призабойной зоны пласта (ПЗП) обеспечит буровому инструменту необходимые обороты.

Сравнение показывает, что предлагаемое техническое решение отличается от известных использованием пускового гидроцилиндра с золотником, позволяющего осуществлять промывку ПЗП, проработку бурового инструмента и форсированный режим бурения при работе силового гидроцилиндра. Такие элементы в известных технических решениях не используются, что позволяет сделать вывод о наличии критерия «существенные отличия».

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 показан профиль скважины с горизонтальным участком СД в продуктивном пласте.

На фиг.2 представлено устройство для создания осевой нагрузки на забой (забойный двигатель и долото предметом изобретения не являются).

При бурении ствола скважины с большим горизонтальным смещением забоя относительно устья, имеющей вертикальную часть ствола ОА глубиной Н₁, наклонную АБ глубиной Н₂ и углом набора радиуса кривизны , криволинейную БС с радиусом искривления R и горизонтальную СД, входящую в пласт мощностью m на глубине Н, возникает ситуация, когда вертикальная составляющая собственного веса колонны бурильных труб или усилие инжектора колтюбинговой установки не достаточны для создания технологически требуемой величины осевой нагрузки на буровой инструмент.

Устройство для создания необходимой осевой нагрузки, расположенное в наддолотной части бурильной колонны, состоит из корпуса пускового гидроцилиндра 1, соединенного муфтой 2 с корпусом силового гидроцилиндра 3. Пусковой гидроцилиндр 1 включает поршень 4 на полом штоке 5 и пружину 6. В корпусе силового гидроцилиндра 3 закреплен золотник 7, в котором состыкованы полые штоки 5 и 8 соответственно силового 3 и пускового 1 гидроцилиндров. В штоке 8 имеется радиальный канал 9, соединяющий поршневую полость силового гидроцилиндра 3 с затрубной промывочной жидкостью. Штоковые полости силового гидроцилиндра 3 и пускового гидроцилиндра 1 через радиальные каналы 10 (или обратные клапаны) также соединяются с затрубной промывочной жидкостью. Шток 8 нижним концом соединен с квадратной (шлицевой) трубой 11, защищенной при выдвижении от контакта с затрубной промывочной жидкостью кожухом 12. Нижняя часть квадратной трубы 11 заканчивается либо корпусом пускового гидроцилиндра 1, к которому присоединяется следующий силовой гидроцилиндр, либо резьбой для соединения с забойным двигателем 13.

Показанный на фиг.2 фрагмент I, включающий забойный двигатель 13, переводник 14 и долото 15, не являются предметом изобретения.

Предлагаемый способ создания осевой нагрузки на забой горизонтальной скважины реализуется следующим образом. В расчетном месте колонны выше долота 15 и забойного двигателя 13 устанавливается блок из пускового 1 и силового 3 гидроцилиндров, полые штоки 5 и 8 которых соединены золотником (или несколько последовательно расположенных блоков). Перед началом бурения при постепенном возрастании внутритрубного давления происходит промывка ПЗП. При дальнейшем росте давления, когда перепад давления на забойном двигателе 13 станет достаточным для начала его работы, начинается проработка долота 15 без осевой нагрузки. В дальнейшем, когда внутритрубное давление достигает расчетного значения и забойный двигатель 13 наберет номинальное число оборотов и достаточный для бурения крутящий момент, пусковой гидроцилиндр 1 сожмет пружину 6 и вытолкнет из золотника 7 шток 8 силового гидроцилиндра 3. Гидравлическая сила, создаваемая в силовом гидроцилиндре 3 за счет перепада давления в трубах и затрубном пространстве и соответственно за счет перепада давления в поршневой и штоковой полостях, обеспечит нагружение бурового инструмента осевой нагрузкой по мере перемещения поршня 16 на величину хода l_x. Продолжительность цикла непрерывной работы бурового инструмента L_ц определяется количеством n последовательно соединенных силовых гидроцилиндров 3. Когда при полном выдвижении силовых гидроцилиндров 3 процесс разрушения забоя прекратится и вес колонны по наземному гидравлическому индикатору веса (ГИВ) уменьшится на величину, большую суммы сил трения колонны о стенки скважины, производится выключение буровых насосов (как вариант - сброс давления) и колонна тормозом лебедки (или инжектором колтюбинга) подается на забой до величины, соответствующей первоначальным показаниям ГИВ. Возникающий при этом импульс осевой нагрузки перемещается по направлению к забою и из-за превышения суммы сил трения о стенки скважины вынуждает поршень 16 и квадратную трубу 11 вдвигаться в корпус силового гидроцилиндра 3, занимая исходное положение. Цикл можно повторять.

Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет использовать для создания осевой нагрузки на долото упругую силу сжатия бурильной колонны и силы трения колонны о стенки скважины, что расширяет технологические возможности бурения горизонтальных стволов скважин по длине и, кроме того, позволяет увеличить скорость бурения за счет увеличения осевой нагрузки до ее предельно допустимых значений.