Компоновка бурильной колонны

Полезная модель относится к устройствам для бурения глубоких скважин с применением забойных двигателей, таких как турбобуры, винтовые забойные двигатели и электробуры.
Основной особенностью бурения забойными двигателями является отсутствие необходимости вращения бурильной колонны для передачи крутящего момента к долоту, поскольку привод вращения долота находится непосредственно на забое скважины в виде забойного двигателя - гидравлического или электрического.
Тем не менее, при проходке протяженных, особенно полого наклонных и горизонтальных участков ствола скважины необходимость вращения всей бурильной колонны возникает вследствие значительных сопротивлений, возникающих при продольном вдоль оси скважины перемещении колонны. Эти сопротивления максимальны при отсутствии вращения колонны и уменьшаются по мере роста частоты вращения колонны. Поэтому для снижения сопротивления перемещению колонны во избежание её складывания и возможности удлинения буримых стволов при бурении забойными двигателями возникает необходимость во вращении колонны.
В то же время, если используется для проходки ствола скважины с изменением её траектории отклонитель на базе забойного двигателя, например, отклонитель в виде кривого переводника или искривленного корпуса забойного двигателя (см. В. В. Нескоромных Бурение наклонных, горизонтальных и многозабойных скважин. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2016 г., стр. 209-220 рис. 4.34), то вращение бурильной колонны становится невозможно из-за необходимости изменения направления скважины, при котором положение забойного двигателя должно быть зафиксировано в одной плоскости - плоскости набора кривизны.
Именно поэтому возникают объективные причины для ограничения возможностей применения отклонителей на базе забойных двигателей при проходке протяженных стволов скважин с горизонтальным окончанием.
Для проводки протяженных стволов при современном бурении используют дорогостоящие роторные управляемые системы (РУС), которые могут работать и производить искривление скважины при постоянном вращении бурильной колонны.
Системы РУС, которые могут приняты за аналог представлены в работе (В. В. Нескоромных Бурение наклонных, горизонтальных и многозабойных скважин. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2016 г., стр. 220-220 рис. 4.43, 4.44, 4.51, 4.55, 4.56 и др.).
При работе РУС в стволе скважин, как наклонных, так и горизонтальных используется компоновка, которая включает бурильные трубы, соединенные с забойной телеметрической системой (ЗТС) и отклонителем роторного типа. Вся эта компоновка работает в скважине с постоянным вращением всей колонны, что позволяет бурить горизонтальные стволы значительной протяженности.
Недостатком аналога является значительная сложность конструкции и высокая стоимость. Например, одна роторная управляемая система может стоить десятки или даже более 100-150 миллионов рублей (не менее миллиона долларов), в то время как отклонитель на базе винтового забойного двигателя стоит не менее, чем в 4-5 раз меньше (200-250 тысяч долларов).
Кроме этого компоновка РУС характеризуется низкой эффективностью из-за того, что крутящий момент к забою передается через всю бурильную колонну, что снижает эффективность процесса разрушения горной породы долотом, так как значительная часть энергии тратится на трение колонны о стенки скважины, на вибрацию, и до забоя энергия, необходимая для разрушения породы, в полном объеме не доставляется.
Учитывая высокую стоимость самой компоновки-аналога, сложности при его эксплуатации, получаемые результаты бурения не могут быть оценены как высокоэффективные, так стоимостные показатели работы аналога определяют высокую себестоимость выполняемых буровых работ, а с удлинением ствола скважины снижаются показатели скорости бурения.
За прототип принята буровая компоновка, которая включает бурильные трубы и винтовой забойный двигатель с искривленным корпусом для осуществления искривления, как наклонных, так и горизонтальных скважин (см. В. В. Нескоромных Бурение наклонных, горизонтальных и многозабойных скважин. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2016 г., стр. 209-220 рис. 4.34, в).
Процесс бурения прототипа заключается в том, что при бурении с одновременным искривлением скважины, вращение компоновки не производится, а разрушение горной породы производится долотом, получающего вращение от забойного двигателя. В этом случае искривление скважины производится за счет того, что забойный двигатель, имеющий искривленный корпус или соединение с бурильной колонной через кривой переводник, не вращается и обеспечивает заданный перекос долота и искривление скважины.
В случае, если требуется продвинуть колонну по стволу при возрастающем сопротивлении сил трения и сцепления со стенкой скважины, то включается вращение колонны, что позволяет резко снизить силу сопротивления и бурить более протяженные стволы, но без реализации искривления.
Таким образом, недостатком прототипа является низкая эффективность бурения протяженных стволов с одновременным набором кривизны из-за возрастающего сопротивления со стороны сил трения и сцепления со стенкой скважины.
Задачей, поставленной для создания полезной модели является повышение эффективности бурения протяженных горизонтальных и наклонных стволов скважин с одновременным набором кривизны для корректировки направления.
Достигается тем, что в компоновке между бурильными трубами и забойным двигателем с искривленным корпусом для бурения скважины по заданной траектории установлена муфта и якорное устройство для забойного двигателя. Якорное устройство устанавливается между муфтой сцепления и забойным двигателем, управляемые дистанционно, реализующие работу по двум схемам:
исключающая передачу крутящего момента от бурильной колонны к забойному двигателю и передающая реактивный крутящий момент от забойного двигателя на якорное устройство;
обеспечивающая передачу крутящего момента от бурильной колонны к забойному двигателю без использования якорного устройства.
В результате в процессе бурения скважины с набором кривизны производится вращение бурильной колонны, но вращения забойного двигателя не происходит в случае если муфта сцепления разомкнута и не передает крутящий момент от колонны на забойный двигатель, а реактивный момент со стороны долота блокируется якорным устройством, что позволяет с высокой точностью производить направленное бурение. Вращение колонны бурильных труб снижает силы трения и сопротивления со стороны стенки скважины, что позволяет бурить протяженные горизонтальные и пологонаклонные стволы с реализацией их искривления.
В том случае, когда дистанционно включается муфта с цепления, то крутящий момент передается от бурильной колонны к забойному двигателю и вся компоновка вращается. В этом случае якорное устройство дистанционно отключается и производится бурение без искривления скважины с вращением всей компоновки.
Анализ известных технических решений показывает, что предлагаемая полезная модель отвечает требованиям критерия «новизна».
На фиг. показана схема предлагаемой буровой компоновки.
Предлагаемая буровая компоновка состоит из долота 1, забойного двигателя с искривленным корпусом 2 для бурения скважины по заданной траектории, якорного устройства 3 с выдвигаемыми для упора в стенку скважины полозьями 4, муфты сцепления 5 и бурильных труб 6.
Предлагаемая буровая компоновка работает следующим образом.
При бурении скважины, например, её горизонтального участка, искривление ствола производится при разомкнутой муфте сцепления 5 и включенном якорном устройстве 3. В этом случае крутящий момент от бурового агрегата передается на бурильные трубы 6, но не передается на забойный двигатель с искривленным корпусом 2. Реактивный момент со стороны забоя, работающего на разрушение породы на забое скважины, от долота 1 передается на якорное устройство 3, которое за счет выдвигаемых полозьев 4, обеспечивает фиксацию отклонителя (забойного двигателя с искривленным корпусом 2) в скважине.
Таким образом, осуществляется бурение скважины по заданной траектории в плоскости искривленного корпуса винтового забойного двигателя 2. При этом вращение бурильных труб 6 обеспечивает снижение сил трения и сопротивления со стороны стенки скважины и появляется возможность бурить протяженные стволы значительной длины.
В случае необходимости, если требуется провести вращение и забойного двигателя 2 вместе с бурильными трубами 6, то за счет применения специального привода, например, гидравлического, управляемого с поверхности, производится блокирование муфты сцепления 5 и раскрепление якорного устройства 3. В этом случае вся компоновка будет вращаться приводом буровой установки.
Таким образом, реализуется возможность бурения протяженных горизонтальных и наклонных участков стволов скважин с применением винтовых забойных двигателей, позволяющих производить корректировку направления скважины на всем интервале проходки.