БУРОВОЕ АЛМАЗНОЕ ДОЛОТО ДЛЯ БУРЕНИЯ ЗОНЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ С ОДНОВРЕМЕННЫМ РАСШИРЕНИЕМ СКВАЖИНЫ
DRILLING DIAMOND BIT FOR DRILLING A WASH FLUID ABSORPTION ZONE WITH SIMULTANEOUS WELL EXPANSION

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин.
Известно бицентричное буровое долото с продольной осью вращения [1], имеющее хвостовик с присоединительной резьбой, пилот, эксцентричный расширитель и подрасширитель, размещенный между пилотом и расширителем, оснащенное лопастями, на которых расположены режущие элементы, при этом лопасти пилота смещены относительно плоскости, проходящей через ось вращения и ось проходного диаметра на 20-80 град, лопасти подрасширителя относительно лопастей расширителя на 20-80 град, причем резцы на первой лопасти подрасширителя и второй лопасти пилота установлены на всей лопасти вплоть до калибрующей поверхности, а резцы на первой лопасти пилота и второй лопасти подрасширителя смещены от края калибрующей поверхности лопасти к оси долота на расстояние от 0,5 до 5 мм.
Недостатком данного долота является узкая область применения, а именно невозможность его применения при бурении зон поглощения промывочной жидкости.
В качестве прототипа выбрано буровое алмазное долото для бурения зоны поглощения промывочной жидкости [2], содержащее цилиндрический корпус с резьбой для присоединения к колонне бурильных труб, лопасти с алмазными резцами для разрушения породы, внутренние полости и каналы для подачи промывочной жидкости к забою, твердосплавные насадки, установленные на выходе из этих каналов, при этом используются термостойкие алмазные резцы двойного прессования с минимальным количеством кобальта в верхнем слое, которые установлены на лопастях с отрицательным передним углом в пределах 15-20 град, а каналы для подачи промывочной жидкости и твердосплавные насадки имеют проходной диаметр не менее 16 мм.
Недостатком данного долота является узкая область применения, а именно невозможность его применения при бурении зон поглощения промывочной жидкости с одновременным расширением скважины под установку профильного перекрывателя.
Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении области применения буровых алмазных долот, а именно использовании данного типа долота при бурении зон поглощения промывочной жидкости с одновременным расширением скважины под установку профильного перекрывателя, а также в улучшении сбалансированности долота за счет уравновешивания сил резания.
Технический результат достигается тем, что буровое алмазное долото для бурения зоны поглощения промывочной жидкости с одновременным расширением скважины содержит корпус с резьбой для присоединения к колонне бурильных труб, выступающие над ним лопасти, оснащенные термостойкими алмазными резцами двойного прессования с минимальным количеством кобальта в верхнем слое, каналы для подачи промывочной жидкости и твердосплавные насадки, установленные на выходе из этих каналов с проходными диаметрами не менее 16 мм, при этом корпус долота имеет эксцентричную расширительную часть, на лопастях которой установлены алмазные резцы с отрицательным передним углом в пределах 20-25 град, а алмазные резцы, установленные на лопастях пилотной части корпуса, совпадающие в угловом положении с лопастями расширительной части корпуса, имеют передний отрицательный угол в пределах 15-18 град, алмазные резцы, установленные на лопастях пилотной части корпуса, не совпадающие в угловом положении с лопастями расширительной части корпуса долота, имеют передний отрицательный угол в пределах 12-15 град.
Сущность изобретения отражена на фиг. 1(а-б). Заявленное буровое алмазное долото содержит пилотную часть корпуса 1 диаметром d, эксцентричную расширительную часть корпуса 2 с эксцентриситетом 1, которая при вращении долота формирует диаметр расширения d1, хвостовую (ниппельную) часть корпуса с резьбой для присоединения к колонне бурильных труб 3, гидромониторные каналы для подачи промывочной жидкости к забою 4, твердосплавные насадки, установленные на выходе из этих каналов 5, а также алмазные резцы 6, установленные на лопастях пилотной и расширительной частях корпуса долота. Буровое алмазное долото имеет проходной диаметр d2, который соответствует диаметру скважины, в которую будет спущено данное долото для дальнейшего бурения с одновременным расширением. Пилотная и расширительная части, а также расширительная и хвостовая части корпуса соединены друг с другом посредством сварных соединений, соответственно 7 и 8.
При бурении скважин в интервалах высокопроницаемых и трещиноватых пород (Серпуховский, Фаменский ярусы и т.д.) зачастую возникают осложнения, связанные с частичным поглощением промывочной жидкости. Такие зоны поглощения бурятся с пониженной подачей промывочной жидкости в пределах 16-22 л/с, т.к. в большинстве случаев в качестве промывочной жидкости используется дорогостоящий буровой раствор, который, если не снижать подачу промывочной жидкости, очень быстро расходуется путем его ухода в трещиноватые стенки скважины. Помимо этого строительство значительного количества нефтяных и газовых скважин (особенно в Приволжско-Уральском округе) осложнено геологическими осложнениями, связанными с катастрофическими поглощением промывочной жидкости вплоть до полного отсутствия циркуляции. Ликвидация таких поглощений возможна исключительно установкой профильного перекрывателя, например ОЛКС-216.
В настоящее время при бурении зон поглощения в большинстве случаев используются трехшарошечные долота. После вскрытия зоны катастрофического поглощения промывочной жидкости с полным отсутствием циркуляции производят подъем инструмента. Далее проводят геофизические исследования, чтобы определить зону поглощения промывочной жидкости, а также интервал расширения ствола скважины под установку перекрывателя. Затем собирают компоновку с трехшарошечным долотом и лопастным расширителем и производят расширение ствола скважины, после чего спускают перекрыватель.
Применение данного изобретения позволит избежать лишних временных и других видов затрат, связанных с дополнительными операциями, так как бурение зоны поглощения промывочной жидкости сразу ведется буровым алмазным долотом с одновременным расширением ствола скважины. Если во время бурения поглощение частичное, то бурение ведется на буровом растворе с возможностью прокачки пачек вязкоупругого состава (ВУС) и добавлением в буровой раствор наполнителя. При получении катастрофического поглощения и отрицательного результата по восстановлению циркуляции дальнейшее бурение зоны поглощения производится на технической воде. После того как интервал зоны поглощения пробурен, производят спуск перекрывателя. Помимо этого применение заявленного бурового алмазного долота в осложненных условиях в сравнении с шарошечными долотами позволяет исключить риски разрушения бурового оборудования на забое и избежать аварии.
В результате сниженной подачи омывание и охлаждение алмазных резцов ограничено, поэтому в зоне контакта режущей кромки резца и породы, возникает высокая температура, которая приводит к разрушению алмазных резцов. Это обстоятельство приводит к невозможности использования традиционных алмазных резцов при бурении зоны поглощения и алмазного долота в целом.
Решается проблема обеспечения работоспособности алмазных резцов в условиях ограниченного охлаждения путем использования термостойких алмазных резцов двойного прессования [2]. Алмазная часть у таких резцов слоеная и содержит минимальное количество кобальта в поверхностном алмазном слое, что позволяет ему быть термостойким и работать в сложных условиях при бурении зоны поглощения. Такие алмазные резцы имеют высокую стойкость к абразивному износу, а также, что очень важно при бурении трещиноватых пород зоны поглощения, имеют очень высокую ударную стойкость.
3
Еще одна проблема связана с тем, что при вскрытии и дальнейшем углублении по зоне поглощения производятся неоднократные прокачки пачек ВУС с разнофракционным наполнителем для восстановления циркуляции. В ряде случаев перед вскрытием возможной зоны поглощения производится обработка всего объема циркулирующего бурового раствора крупно- и мелкодисперсным наполнителем (кордное волокно, резиновая крошка, ореховая скорлупа, опилки и т.д.) для мгновенного проникновения в зону поглощения при ее вскрытии. Нити кордного волокна достигают в длину от 30 до 50 мм, диаметр частиц резины от 7-10 мм. При приготовлении пачки ВУС содержание кордного волокна доводят до 70 кг/м.
Данная проблема решается за счет использования в долоте каналов для подачи промывочной жидкости и твердосплавных насадок диаметром не менее 16 мм [2]. При таких диаметрах наполнитель имеет возможность свободного прохождения через каналы, что исключает засорение каналов и повышение давления бурового раствора в колонне, которое может привести к аварийной ситуации и дорогостоящему ремонту буровой техники (например, бурового насоса).
Ввиду того, что проблему, связанную с катастрофическим поглощением промывочной жидкости (полное отсутствие циркуляции), нельзя решить путем применения алмазного долота, которое представлено в патенте [2], предлагается применить принципиально новую конструкцию бурового алмазного долота для бурения зоны поглощения промывочной жидкости с одновременным расширением скважины под установку профильного перекрывателя, которая не только частично включает конструктивные признаки вышеуказанного алмазного долота, но и имеет принципиальные отличия, которые заключаются в следующем.
В заявленной конструкции долота все лопасти эксцентричной расширительной части, которые формируют нужный диаметр ствола скважины под установку перекрывателя, сосредоточены с одной стороны долота, причем их количество в несколько раз меньше чем количество лопастей пилотной части, в то время как нагрузка, приходящаяся на алмазные резцы расширительной части, гораздо выше нагрузки, которая приходится на алмазные резцы пилотной части. Кроме того, расширительная часть формирует диаметр скважины больше на 25% чем диаметр, который формирует пилотная часть. В связи с этим значения передних отрицательных углов установки алмазных резцов на лопастях расширительной части корпуса долота выбираются самыми большими в конструкции в пределах 20-25 град.
В результате наличия эксцентричной расширительной части создается серьезный дисбаланс сил резания при работе долота, что приводит к снижению стойкости долота и повышению его биения при работе, что, в свою очередь, нежелательно при бурении зон поглощения промывочной жидкости, так как может спровоцировать аварийную ситуацию, а именно обвал стенок скважины и прихват инструмента.
Для решения данной проблемы предлагается сбалансировать силы резания путем выбора рациональных передних отрицательных углов алмазных резцов, установленных на лопастях пилотной и расширительной частей корпуса долота.
Пилотная часть корпуса алмазного долота разделена на два сектора: сектор А с углом сектора α и сектор Б с углом сектора β (фиг. 2). В секторе А лопасти пилотной части корпуса долота совпадают в угловом положении с лопастями расширительной части корпуса. На данных лопастях передние отрицательные углы алмазных резцов имеют значения в пределах 15-18 град. В секторе Б лопасти пилотной части корпуса долота не совпадают в угловом положении с лопастями расширительной части корпуса долота. В данном секторе передние отрицательные углы алмазных резцов, установленных на лопастях, имеют значения в пределах 12-15 град.
Вышеупомянутые решения обосновываются тем фактом, что с увеличением угла резания уменьшается сила резания и повышается стойкость алмазного резца, и наоборот. Таким образом, повышенные силы резания со стороны расширительной части будут компенсированы повышенной силой резания, возникающей при работе алмазных резцов пилотной части с противоположной стороны от расширительной части долота.
Подбор рациональных передних отрицательных углов алмазных резцов расширительной и пилотной части корпуса долота проводили с использованием современных методов инженерного анализа при помощи программного пакета ANSYS. Адекватность данных моделирования была подтверждена экспериментально при бурении скважин.
Все указанные выше конструкционные особенности заявленного бурового алмазного долота позволяют, во-первых, расширить область применения алмазных долот, а именно эффективно применять такие долота при бурении зон поглощения промывочной жидкости с одновременным расширением скважины под установку профильного перекрывателя, во-вторых, улучшить сбалансированность долота за счет уравновешения сил резания.
Количество гидромониторных каналов в долоте, лопастей пилотной и расширительной части корпуса, а также расположенных на них алмазных резцов может меняться в зависимости от назначения долота, горно-геологических и технико-техлогических условий, а также от типа и размера бурового алмазного долота.
Пример
Изготовили боровое алмазное долото для бурения зоны поглощения промывочной жидкости с одновременным расширением скважины со следующими параметрами: проходной диаметр долота d2 равен 215,9 мм, диаметр расширения d1 равен 240 мм, диаметр пилотной части корпуса d равен 180 мм; эксцентричная расширительная часть корпуса с эксцентриситетом 1, равным 12 мм, включает три режущие лопасти с термостойкими алмазными резцами диаметром 16 мм, установленными на лопастях с отрицательным передним углом, равным 24 град, также расширительная часть корпуса включает три гидромониторных канала для подачи промывочной жидкости с проходным диаметром 16 мм и твердосплавными насадками с проходным диаметром 16 мм; пилотная часть корпуса включает семь режущих лопастей с алмазными резцами диаметром 16 мм, три из которых находятся в секторе А, равным 125 град и совпадают в угловом положении с лопастями расширительной части, на данных лопастях алмазные резцы установлены с отрицательным передним углом, равным 18 град; на других четырех лопастях, которые находятся в секторе Б равным 172 град и не совпадают в угловом положении с лопастями расширительной части корпуса, алмазные резцы установлены с отрицательным передним углом, равным 13 град; пилотная часть корпуса имеет семь гидромониторных каналов с проходным диаметром 16 мм и твердосплавными насадками с проходным диаметром 16 мм. Данное долото применяли при бурении зоны поглощения в интервалах высокопроницаемых и трещиноватах пород Фаменского ярусов на скважине Верхне-Ветлянского месторождения Самарской обл. В результате бурения заявленным алмазным долотом были получены положительные результаты, связанные с бурением и одновременным расширением скважины под установку перекрывателя ОЛКС-216, что также позволило существенно сократить сроки строительства скважины, а также качественно сформировать ствол под установку перекрывателя. Полученные положительные результаты доказывают эффективность применения заявленного бурового алмазного долота при бурении зоны поглощения промывочной жидкости с одновременным расширением скважины под установку перекрывателя.
На фиг. 1(а-б) представлена схема бурового алмазного долота для бурения зоны поглощения промывочной жидкости с одновременным расширением скважины.
На фиг. 2 показана схема разбиения пилотной части корпуса алмазного долота на секторы.
Используемая литература
1. Патент РФ №2361999. Бицентричное буровое долото / Ищбаев Г.Г.,. Балута А.Г., Шарипов А.Н. Опубл. 20.07.2009, бюл. №20.
2. Патент РФ №2601709. Буровое алмазное долото для бурения зоны поглощения промывочной жидкости / Гладков В.П., Шохин М.Г., Журавлев А.Н., Саенко С.А. Опубл. 10.11.2016, бюл. №31.