ВОЗМОЖНОСТИ УМЕНЬШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ В СКВАЖИНЕ БЕЗ СНИЖЕНИЯ ПЛОТНОСТИ БУРОВОГО РАСТВОРА
Современное бурение является преимущественно репрессионным, поскольку разрушение забоя в большинстве случаев осуществляется при наличии превышения давления в скважине над пластовым. Главная причина применения такой технологии — обеспечение безопасности буровых работ, за которое приходится расплачиваться снижением механической скорости бурения, загрязнением продуктивных пластов, поглощением бурового раствора и т. п.
Бурение без репрессии широко применялось и продолжает применяться в тех интервалах, где позволяют условия (в Урало-Поволжье при бурении с промывкой водой).
Основное следствие использования репрессионной технологии — низкие значения механической скорости бурения, которая за последние годы практически достигла предела и стабилизировалась на некотором уровне, отличаясь по интервалам бурения. Наблюдающееся иногда некоторое увеличение скорости за счет применения более подходящих долот и более удачных режимов бурения только создает иллюзию возможностей дальнейшего увеличения механической скорости бурения. Опыт применения в Республике Коми шарошечных долот зарубежного производства доказывает, что преимущество их перед отечественными долотами выражается исключительно в стойкости опоры и вооружения, но не в заметном росте механической скорости. Практически полностью исчерпаны возможности полезного использования скольжения зубьев шарошек относительно забоя и гидромониторной промывки в современном варианте размещения промывочных отверстий на периферии забоя. Такое положение в технике принято оценивать как кризисное. Единственным путем существенно по-
высить технико-экономические показатели бурения является пока поиск, обнаружение и реализация оптимальных режимов бурения с надеждой на повышение показателей. Но этот путь не имеет шансов на революционный скачок в показателях, как это произошло в 1935 г., когда появились трехшаро-шечные долота со смещением осей шарошек, и в 1947 г., когда при бурении стали применять гидромониторную промывку.
Долгожданный скачок в механических скоростях бурения и проходке возможен только при значительном
уменьшении дифференциального давления или при бурении без избыточного давления на забое. И здесь возможны следующие пути:
■ равновесное бурение в традиционном варианте;
■ создание состояния равновесия или даже депрессии только на момент промывки и бурения скважины, где имеется буровой раствор, обеспечивающий нормированную репрессию;
■ применение устройств для временного уменьшения давления.
На кафедре бурения УГТУ выполнен комплекс научных исследований,
в результате которых механические скорости бурения могут возрасти многократно.
Решение проблемы возникло из реализованного желания разгадать парадокс в применении гидромониторных долот. Исследователям гидромониторных долот известен факт снижения стойкости долот [3] при наличии явного прироста механической скорости бурения от высокоскоростной струйной промывки, который невозможно объяснить, если свести роль струй к простой (механической) очистке забоя.
Можно считать уже доказанным, что при использовании струйной (гидромониторной) промывки на периферийной части забоя как результат непосредственного воздействия на забой перемещающихся относительно забоя струй [1, 2, 3, 4] возникают обратные фильтрационные потоки, ответственные за очистку забоя и создание депрессии в момент воздействия зубьев долот на породу (только на это время). В итоге буримость периферийной части забоя существенно возрастает. Буримость центральной части не меняется, оставаясь низкой, соответствующей уровню динамической репрессии. Происходит неизбежное в таких условиях перераспределение заданной нагрузки на долото между венцами шарошек: периферийные венцы существенно разгружаются, а центральные, напротив, перегружаются. Именно локальным увеличением нагрузки на центральные венцы объясняется наблюдающийся прирост скорости бурения при струйной промывке. Иначе говоря, традиционное объяснение эффекта от струйной промывки за счет ускоренного удаления шлама из зоны шарошек оказалось слишком упрощенным. Напрашивается вывод: гидравлическая мощность струй в шарошечных долотах современной компоновки используется не более, чем на треть, остальное тратится на нагревание жидкости. Очевиден и другой вывод, что для кратного увеличения скорости бурения необходимо размещать струи по всему радиусу забоя — от центра до периферии. Последняя идея нашла техническое решение в Патенте РФ [5].
Суть изобретения заключается в том, что (рис. 1) шарошка 1 оснащена породоразрушающим вооружением так, что она одна полностью обеспечивает механическое разрушение забоя по всему радиусу (в настоящее время это делают все три шарошки одновременно), а две другие шарошки 2 представляют собой усеченные конусы, в которых размещены опоры, снабженные только периферийными венцами.
При этом удается обеспечить поражение всего забоя гидромониторными струями, разместив насадки вдоль радиуса забоя от центра к периферии. Периферийную насадку 3 необходимо расположить так, чтобы ее струя воздействовала на забой с внешней стороны. Насадка 4 должна быть нацелена на радиус разрушения первым (вершинным) венцом, а насадки 5 и 6 — размещаться между насадками 3 и 4. Результатом такого решения станут:
■ многократное увеличение механической скорости бурения в условиях репрессионной технологии за счет ис-
ключения зависания долота на центральной части забоя;
■ равномерная нагрузка по всем венцам шарошки, что полностью исключает аномальный износ вооружения и опор;
■ эффективное использование всей гидравлической мощности струй.
Уменьшать давление в скважине также можно с помощью специального устройства, размещенного на бурильной колонне. В УГТУ при финансовой поддержке ООО «Севергазпром» авторами [6] разработана и изготовлена его конструкция, в которой предусмотрено
Рис. 2. Схема устройства для уменьшения гидродинамического давления в скважине (УУГД
использование специальных струйных насосов (гидроэлеваторов) для управляемого уменьшения репрессии на пласты.
Принципиальная схема этого устройства, показана на (рис. 2).
Центральная несущая труба 1 с помощью бурильного замка 2 и замкового переводника 3 с промывочными отверстиями 4 присоединена к бурильным трубам. К замковому переводнику 3 жестко прикреплена вспомогательная труба 5 таким образом, что между центральной и вспомогательной трубами образуется кольцевой зазор 6. В нижней части вспомогательная труба снабжена отверстиями 7, сообщающимися с круговой напорной камерой 8 рабочих насадок 9 с выходными отверстиями 10. С вспомогательной трубой жестко связаны вращающиеся детали осевой, например, резинометаллической (или шаровой опоры) 11. Между стенкой скважины 12 и вспомогательной трубой помещен цилиндрический корпус 13 с возможностью вращения относительно вспомогательной трубы. На нем закреплены жестко связанные с корпусом неподвижные детали осевой опоры 14 и радиальных опор 15, а также гидроэлеваторы, состоящие из рабочих насадок, смесительных камер 16 и диффузоров 17. Снаружи корпуса, выше смесительных камер установлены один или более самоуплотняющихся пакеров 18. На поверхности скольжения между корпусом и вспомогательной трубой имеются уплотнительные элементы 19. Для сообщения камеры смешения с заколонным пространством 20 корпус снабжен отверстиями 21.
Устройство входит в состав бурильной колонны и работает следующим образом.
Закачиваемая насосами буровая промывочная жидкость при входе в устройство распределяется на два потока в соответствии с гидравлическими сопротивлениями в циркуляционной системе скважины и в подводящих каналах и насадках гидроэлеваторов. Одна часть жидкости через отверстия 3 по зазору 6 и через отверстия 7 попадает в камеру 8, а затем в насадки гидроэлеватора 10. Сформированные насадками струи увлекают за собой другую часть потока, которая, пройдя долото и поднявшись по заколонному пространству до отверстий 21, попадает в гидроэлеватор. Под действием давления, восстановленного диффузорами, упругие элементы самоуплотняющихся пакеров 18 прижимаются к стенке 12 скважины, изолируют (отсекают) надпа-
керное пространство 22 от смесительных камер. При прекращении закачки жидкости давление в скважине восстанавливается до исходного.
Описанное устройство может использоваться для полного восстановления циркуляции при вскрытии зон катастрофического поглощения или для уменьшения дифференциального давления на забое и на стенке скважины не менее чем на 3—4 МПа без уменьшения плотности бурового раствора. В первом случае УУГД устанавливается на 30— 50 м ниже статического уровня. Во втором — на любой глубине.
В наклонно-направленных и горизонтальных скважинах возникающая на устройстве и сосредоточенная в месте установки УУГД гидравлическая сила может быть использована для преодоления сил сопротивления движению колонны со стороны стенок скважины. При установке предлагаемого устройства в непосредственной близости от долота, например, в горизонтальном стволе, указанная сила будет «тянуть» бурильную колонну по стволу и обеспечит нагрузку на долото, что позволит сократить длину УБТ. Развитие этого направления представляется весьма важным.
Литература
1. Осипов П. Ф., Зелепукин В. И. Фильтрационные потоки на забое скважины при бурении гидромониторными долотами // Нефтяное хозяйство. — 1986. — № 9.
2. Осипов П. Ф. Оптимизация режимов бурения на основе математического моделирования // Бурение. — 2001.
— № 4, 5.
3. Осипов П. Ф., Скрябин Г. Ф. Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами. — Ярославль: Медиум-пресс, 2001. — 239 с.
4. Осипов П. Ф. Гидроаэромеханика бурения и крепления скважин. Учебное пособие. — Ухта: УГТУ, 2004.
— 204 с.
5. Осипов П. Ф. Буровое шарошечное долото. Патент РФ № 2191244 Е 21 В 10/18. — Опубл. 20.10.2002, Бюл. № 29.
6. Заявка № 2002118878/03 МПК 7 Е21 В 21/00 «Способ и устройство для бурения скважин» // Бюл. Изобретения, полезные модели. — 2004, № 3, ч. I, с. 259, опубл. 27.01.2004.
ВНИМАНИЕ, НОВИНКА
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.