СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ ЧЕРЕЗ БУРИЛЬНУЮ КОЛОННУ
METHOD OF PERFORMING GEOPHYSICAL WORKS THROUGH DRILLING STRING

Изобретение относится к промыслово-геофизическим исследованиям бурящихся и наклонно направленных глубоких и сверхглубоких нефтегазовых скважин.
Проведение промыслово-геофизических исследований скважин требует беспрепятственного прохождения скважинных приборов по стволу до забоя. Однако в глубоких и сверхглубоких скважинах, обычно заполняемых очень вязкой и утяжеленной промывочной жидкостью, спуск приборов затруднен, а вероятность их прихвата при длительной остановке в открытом стволе возрастает. Особые затруднения возникают из-за высоких (более 150°С) скважинных температур, вызывающих спекание промывочных жидкостей. Негативную роль при этом играют и такие сопутствующие осложнения в стволе скважины, как кавернозность и желобообразование, а также выпучивание и обрушение неустойчивых пород в зонах АВПД (аномально высокого пластового давления). Все это приводит к тому, что в ряде случаев достичь скважинным прибором заданных призабойных глубин не удается, а интервалы, представляющие наибольший интерес для изучения нефтегазоносности разреза, остаются неисследованными. Возможным решением проблемы исследования глубоко залегающих горизонтов является принудительная доставка скважинной аппаратуры в открытый ствол через бурильную колонну при герметизированном устье по аналогии с известными способами проведения геофизических работ в горизонтальных скважинах.
Известен способ проведения геофизических работ через бурильную колонну при герметизированном устье, заключающийся в доставке на забой сборки автономных скважинных приборов внутри концевой бурильной трубы с посадочным седлом, выталкивании из трубы в открытый ствол потоком промывочной жидкости этой сборки с удержанием ее верхней части в посадочном седле и последующей регистрации геофизических параметров при подъеме бурильной колонны до входа сборки в ранее спущенную обсадную колонну (Молчанов А.А., Лукьянов Э.Е., Рапин В.А. Геофизические исследования горизонтальных нефтегазовых скважин: учебное пособие - С.-Петербург: Международная академия наук, экологии, безопасности человека и природы, 2001, 298 с., с.152-156). Этот способ в процессе проведения геофизических работ требует полного извлечения бурильной колонны из скважины, что при частично перекрытом выходе из концевой трубы увеличивает вероятность газопроявлений и выбросов в случае возникновения во время движения бурильных труб эффекта колебания перепада давления на стенки открытого ствола с раствором в бурящихся глубоких и сверхглубоких скважинах, обладающего высоким статическим напряжением сдвига. Кроме того, спускоподъем колонны, связанный с доставкой на забой и извлечением из скважины автономного прибора (сборки приборов), приводит к значительному увеличению затрат времени на проведение геофизических работ. Серьезными недостатками указанного способа, препятствующими его использованию при проведении геофизических работ в глубоких и сверхглубоких скважинах, являются также невозможность передачи на земную поверхность большого объема геофизической информации в реальном масштабе времени, отсутствие контроля за ходом регистрации геофизических параметров и невозможность управления с поверхности исполнительными механизмами приборов, низкая надежность приборов из-за перенасыщенности их электронным оборудованием, высокая избыточность повторно регистрируемой информации в процессе подъема и отвинчивания свечей бурильной колонны.
Известны другие способы проведения геофизических работ, преимущественно в действующих горизонтальных скважинах, не предназначенные для реализации технологий принудительной доставки скважинных приборов в открытый ствол через бурильную колонну при герметизированном устье (см., например, кроме вышеуказанной книги: Чесноков В.А., Рапин В.А., Вержбицкий В.В., Беляков Н.В. Технология промыслово-геофизических исследований действующих скважин. ИКВ АИС «Каротажник», №15, 1995, с.76-81; Байбурин Э.Р., Крючатов Д.Н., Савич А.Д., Шумилов А.В. Эффективный способ доставки приборов в действующие горизонтальные скважины Западно-Сибирского региона. НТВ АИС «Каротажник», №174, 2008, с.9-13). Эти способы также не могут быть адаптированы к условиям проведения геофизических работ в осложненных стволах бурящихся глубоких и сверхглубоких скважин из-за проблем, связанных с герметизацией устья, сложности доставки и применения громоздкого, тяжеловесного, в том числе нестандартного оборудования, наличия большого количества разъемных электромеханических кабельных соединений, не обладающих требуемой надежностью на больших глубинах при высоких значениях температур и повышенных гидростатических давлениях, и др.
Наиболее близким к предлагаемому является способ проведения геофизических работ через бурильную колонну при герметизированном устье скважины, включающий оснащение скважинного прибора продавочной пробкой и его спуск с прокачиванием промывочной жидкости на заданную глубину с применением каротажной лебедки с геофизическим кабелем, несущим кабельный наконечник и пропущенным через уплотнительное устройство внутрь колонны с открытым концом в нижней части для выхода и продвижения в открытый ствол прибора под действием напора жидкости с последующей регистрацией геофизических параметров в интервале исследований при подъеме прибора на земную поверхность (Калинин А.Г., Григорян Н.А., Султанов Б.З. Бурение наклонных скважин: Справочник / Под ред. А.Г.Калинина. - М.: Недра, 1990. - 348 с.: ил., с.288-290). Из известных этот способ является наиболее простым, надежным и наименее затратным при реализации, так как не требует значительного вмешательства в общепринятую технологию геофизического исследования скважин. Однако применению этого способа при глубоком и сверхглубоком бурении нефтяных и газовых скважин препятствуют такие присущие ему недостатки, как необходимость подъема бурильных труб в процессе исследований, периодическая сборка и разборка уплотнительного устройства на устье колонны, извлечение из каждой поднятой свечи и пересоединение отрезка геофизического кабеля, идущего от оставленного в открытом стволе скважинного прибора, малый выход прибора из колонны в открытый призабойный участок ствола. Наличие указанных недостатков снижает надежность и безопасность проведения геофизических работ на больших глубинах, исключает возможность непрерывной циркуляции промывочной жидкости, периодического расхаживания и вращения колонны в процессе регистрации геофизических параметров, приводит к увеличению затрат времени на проведение работ в запланированном интервале исследований.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности процесса проведения геофизических работ через бурильную колонну в осложненных стволах глубоких и сверхглубоких нефтегазовых скважин.
Для достижения указанных технических результатов перед спуском прибора в скважину кабель вводят в промывочный канал вертлюга через предусмотренную на его отводе горловину с выходом кабельного наконечника из открытого конца ведущей трубы, устанавливают в горловине уплотнительное устройство, присоединяют к кабельному наконечнику прибор и приподнимают вертлюг на высоту, необходимую для обеспечения свободного доступа к участку кабеля в технологически обоснованном интервале, а прибор приспускают в колонну с выходом из нее торца кабельного наконечника на высотный уровень, необходимый для проведения монтажно-демонтажных операций, затем с помощью предварительно изготовленных одинаковых штанг, имеющих выполненные по всей длине боковые прорези с узлами фиксации для укладки в них с закреплением от выпадания кабеля, на последнем с опорой на торец кабельного наконечника по мере пошагового, задаваемого длиной штанг, спуска прибора в колонну формируют соответствующий интервалу исследований скважины секционированный жесткий толкатель с быстроразъемными исключающими саморазборку соединениями с последующими по очередности установкой на головной части толкателя продавочной пробки, соединением ведущей трубы с колонной и осуществлением прямой циркуляции промывочной жидкости.
Причем технологически обоснованный интервал для свободного доступа к участку кабеля под вертлюгом принимают незначительно меньшим длины штанг и равным расстоянию между первоначально установленным по торцу кабельного наконечника высотным уровнем и встречным торцом ведущей трубы с возможностью обеспечения завода в отверстие этой трубы и удержания в ней верхних концов штанг при проведении монтажно-демонтажных операций.
Кроме того, головная часть толкателя, несущая продавочную пробку, образует независимо от кабеля самостоятельную жесткую кинематическую связь с кабельным наконечником.
Кроме того, боковые прорези встречно состыкованных штанг толкателя располагают под углом 180° относительно друг друга.
Причем для изготовления штанг толкателя используют минимизирующие его вес высокопрочные материалы, например алюминиевые и титановые сплавы.
Отличительными признаками предлагаемого способа проведения геофизических работ через бурильную колонну при герметизированном устье от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются введение кабеля перед спуском прибора в скважину в промывочный канал вертлюга через предусмотренную на его отводе горловину с выходом кабельного наконечника из открытого конца ведущей трубы, установление в горловине уплотнительного устройства, присоединение к кабельному наконечнику прибора и приподнятие вертлюга на высоту, необходимую для обеспечения свободного доступа к участку кабеля в технологически обоснованном интервале, приспускание прибора в колонну с выходом из нее торца кабельного наконечника на высотный уровень, необходимый для проведения монтажно-демонтажных операций, формирование на кабеле с опорой на торец кабельного наконечника, соответствующего интервалу исследования скважины секционированного жесткого толкателя с быстроразъемными исключающими саморазборку соединениями, с помощью предварительно изготовленных штанг, имеющих выполненные по всей длине боковые прорези с узлами фиксации для укладки в них с закреплением от выпадания кабеля, пошаговый, задаваемый длиной штанг спуск прибора в колонну с последующими по очередности установкой на головной части толкателя продавочной пробки, соединением ведущей трубы с колонной и осуществлением прямой циркуляции промывочной жидкости. Другим отличительным признаком является выбор технологически обоснованного интервала для свободного доступа к кабелю под вертлюгом незначительно меньшим длины штанг и равным расстоянию между первоначально установленным по торцу кабельного наконечника высотным уровнем и встречным торцом ведущей трубы с возможностью обеспечения завода в отверстие этой трубы и удержания в ней верхних концов штанг при проведении монтажно-демонтажных операций. Кроме того, отличительным признаком является то, что головная часть толкателя, несущая продавочную пробку, образует независимо от кабеля самостоятельную жесткую кинематическую связь с кабельным наконечником. Отличительными признаками, кроме того, являются расположение боковых прорезей встречно состыкованных штанг под углом 180° относительно друг друга, а также использование для изготовления штанг толкателя минимизирующих его вес высокопрочных материалов, например алюминиевых и титановых сплавов.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-8.
На фиг.1 показана схема формирования на геофизическом кабеле жесткого секционированного толкателя для принудительной доставки скважинного прибора через бурильную колонну в открытый ствол к забою исследуемой скважины.
На фиг.2 - общий вид подготовленной к работе (в исходном состоянии) штанги толкателя с частичным продольным разрезом.
На фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.
На фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2.
На фиг.5 - разрез В-В на фиг.2.
На фиг.6 представлен сформированный на геофизическом кабеле с опорой на кабельный наконечник скважинного прибора толкатель с фрагментом включенной в его состав одной штанги, общий вид с частичным продольным разрезом.
На фиг.7 - разрез Г-Г на фиг.6.
На фиг.8 - разрез Д-Д на фиг.6.
Сущность способа заключается в следующем.
Для проведения геофизических работ в осложненном стволе на скважину с геофизической станцией, включающей каротажную лебедку с геофизическим кабелем, доставляют комплект предварительно изготовленных специализированных штанг с суммарной длиной, равной, либо несколько превышающей запланированный интервал геофизических исследований (обычно 100-200 м). При этом штанги, конструкции которых рассматривается ниже, имеют одинаковую длину в пределах 4-5 м, что объясняется требованиями удобства транспортирования и проведения монтажно-демонтажных операций. После завершения подготовки буровой и ствола скважины к проведению геофизических работ и нахождения в скважине бурильной колонны с открытым концом в призабойной зоне при герметизированном устье приступают к развертыванию станции. Для чего на мостках поближе к ротору укладывают подготовленные к работе, т.е. находящиеся в исходном состоянии штанги. Заводят идущий от каротажной лебедки 1 (фиг.1) геофизический кабель 2, оснащенный кабельным наконечником 3, на установленный на полу буровой вышки мерный ролик 4 и подвешенный к кронблоку (не показан) верхний ролик 5. Через горловину 6, предусмотренную на отводе 7 вертлюга 8, после отвинчивания заглушки (не показана) вводят в промывочный канал 9 вертлюга 8 кабель 2 с уплотнением и выходом кабельного наконечника 3 из открытого конца ведущей трубы 10, которая при этом может находиться либо в шурфе (не показан), либо с бурильной колонной 11 в стволе скважины. Затем вертлюг 8 с помощью крюкоблока (не показан) поднимают над ротором 12 для обеспечения доступа к открытому концу ведущей трубы, из которой извлекают кабельный наконечник 3 и присоединяют его к скважинному прибору 13. После чего скважинный прибор 13 в подвешенном к кабелю 2 состоянии вводят в устье колонны 11, установленной на клиньях ротора 8, и приступают к формированию на кабеле 2 жесткого секционированного толкателя с опорой на кабельный наконечник 3 прибора 13. Для обеспечения этого каждая из штанг имеет выполненную по всей длине (во всех входящих в нее деталях) боковую прорезь для укладки в ней кабеля 2 с возможностью закрепления его от выпадания с помощью, по меньшей мере, двух узлов фиксации, а также концевые элементы быстроразъемных соединений, исключающих саморазборку. Штанги могут иметь различные варианты конструктивного исполнения и в наиболее простом варианте (фиг.2) содержат резьбовые окончания с одинаковыми диаметром и шагом резьбы, выполненные с одной стороны в виде хвостовика 14 с резьбовой головкой 15, а с другой стороны - в виде невыпадающей гайки 16, установленной с помощью разрезного кольцевого упора 17 на хвостовике 18. Причем на торце хвостовика 18 выполнен концевой выступ 19, имеющий возможность сопряжения по ширине с прорезью ответной штанги. Благодаря чему боковые прорези встречно состыкованных штанг всегда будут при сборке располагаться под углом 180° относительно друг друга, обеспечивая таким образом наиболее благоприятные условия для натяжения кабеля 2 при изгибных деформациях штанг, а также исключение возможности их вращения по отношению друг к другу. Оба хвостовика 14 и 18 жестко связаны с одинаковыми по конструкции переходными муфтами 20 (фиг.3 и 4) с помощью винтов 21 с потайными головками. Переходные муфты 20 жестко связаны с узлами фиксации, а те между собой - посредством одинаковых удлинителей 22. Узлы фиксации также имеют одинаковое конструктивное исполнение и включают в себя опорную 23 и стопорящую 24 полумуфты, жестко соединенные между собой с помощью вала 25, несущего установленную на нем с возможностью вращения фиксирующую втулку 26. Фиксирующая втулка 26 с одной стороны опирается на пластинчатую С-образную пружину 27 (на фиг.5 изображена частично), закрепленную с помощью винтов 28 на встречной торцовой поверхности опорной полумуфты 23, а с другой имеет выступ 29, обладающий возможностью сопряжения по ширине с прорезью штанги в рабочем положении и входящий в исходном состоянии в фиксирующий паз 30, выполненный на боковой поверхности стопорящей полумуфты 24. Для уменьшения суммарной осевой растягивающей нагрузки на кабель 2 штанги выполнены минимизированными по весу путем широкого использования для изготовления их деталей высокопрочных материалов, обладающих малой плотностью, таких, например, как алюминиевые и титановые сплавы. Это позволяет при максимальном наружном диаметре 42 мм и диаметре удлинителей 22, равном 26 мм, для трехжильного геофизического кабеля изготавливать штанги по весу, не превышающие 5 кг.
ш
т
Формирование жесткого секционированного толкателя на кабеле 2 (см. фиг.1) начинают с того, что вертлюг 8 приподнимают на высоту, необходимую для обеспечения свободного доступа к участку кабеля 2 в технологически обоснованном интервале, а торец кабельного наконечника 3 скважинного прибора 13 располагают на высотном (по отношению к полу буровой вышки) уровне, необходимом (или иначе удобном) для проведения монтажно-демонтажных операций силами двух рабочих, например вторым и третьим помощниками бурильщика. При этом технологически обоснованный интервал для свободного доступа к участку кабеля 2 под вертлюгом 8 принимают незначительно меньшим длины штанг L и равным расстоянию L между первоначально установленным по торцу кабельного наконечника 3 вышеупомянутым высотным уровнем и встречным торцом ведущей трубы 10. Благодаря этому реализуется возможность завода в отверстие ведущей трубы 10 и удержания в ней верхних концов штанг с обеспечением отклонений их продольных осей от оси натянутого кабеля 2 на угол, не превышающий 15-20 угловых секунд, для ведущих труб с диаметрами отверстий 74 и 85 мм. Это позволяет значительно облегчить и ускорить выполнение работ как по посадке штанг на кабельный наконечник 3, так и по снятию их с него. Причем для обеспечения возможности выполнения этих работ на кабельном наконечнике 3 предварительно жестко закрепляют либо выполняют с ним за одно целое опорный элемент 31 (фиг.6), включающий в себя одинаковое по конструкции с верхним концом штанги окончание в виде хвостовика 14 с резьбовой головкой 15. После подачи к ротору 12 (см. фиг.1) первой штанги (по порядку наращивания толкателя) с заводом ее верхнего конца в отверстие ведущей трубы 10 и посадкой нижнего конца на кабельный наконечник 3 с опорой на него и вхождением в боковую прорезь опорного элемента 31 концевого выступа 19 (см. фиг.6) завинчивают гайку 16 до упора с выходом ее резьбы с резьбы резьбовой головки 15, исключая таким образом возможность саморазборки выполненного соединения. После чего, придерживая штангу на кабеле 2, приспускают прибор 13 (см. фиг.1) в колонну 11, а затем последовательно с помощью узлов фиксации закрепляют в продольной прорези штанги кабель от выпадания. Причем фиксация кабеля 2 или, что одно и то же, закрепление штанги на кабеле 2 осуществляется путем перемещения фиксирующей втулки 26 вниз с выходом из паза 30 стопорящей полумуфты 24 выступа 29 и последующим входом его в прорезь штанги под действием пружины 27. Аналогично монтируются вторая и последующая штанги. В случае необходимости после завершения установки очередной штанги, расчетное время монтажа-демонтажа которой 1 составляет 15-20 с, процесс формирования жесткого секционированного толкателя может быть приостановлен, а после присоединения ведущей трубы 10 к колонне 11 и снятия клиньев ротора 12 начата промывка скважины с вращением и расхаживанием бурового инструмента. После установки на кабеле 2 последней штанги приступают к монтажу головной части толкателя с продавочной пробкой 32 (см. фиг.6). Кроме продавочной пробки 32 головная часть толкателя включает в себя гайку 16 и хвостовик 18, заимствованные из конструкции штанг, стакан 33, жестко связанный с одной стороны с упомянутым хвостовиком 18, а с другой стороны - со стержнем 34, выполненным с резьбой на конце для присоединения кабельного наконечника 35 с полуголовкой, несущего выполненный со встречной полуголовкой кабельный зажим 36 с невыпадающими болтами 37 (фиг.7) и выступом 38, имеющим возможность сопряжения по ширине с прорезью головной части толкателя, являющейся продолжением прорези последней штанги. При этом кабельный наконечник 35 толкателя имеет в нижней части гнездо, аналогичное по форме встречной внутренней полости стакана 33 для установки в них на стержне 34 продавочной пробки 32. Для этого продавочная пробка 32 (фиг.8) выполнена из резины разрезной с заходными фасками для кабеля 2. Как можно понять из описания конструкции головной части толкателя, ее установка заключается в следующем. После закрепления с помощью гайки 16 на верхнем конце последней штанги стакана 33 в нем с охватом стержня 34 размещают нижний хвостовик пробки 32, затем путем навинчивания на резьбовое окончание стержня 34 кабельного наконечника 35 вводят в его гнездо верхний хвостовик пробки 32 до упора при совмещении его боковой прорези с прорезью стержня 34. После чего на кабеле 2 для исключения его повреждения под зажимом 36 устанавливают разрезную резиновую трубку 39. При этом выступ 38 зажима 36 вводят в прорезь стержня 34, а затем завинчивают болты 37 в тело кабельного наконечника 35. В результате чего завершается формирование толкателя, головная часть которого образует при этом жесткую кинематическую связь с кабельным наконечником 3 скважинного прибора 13, независимую от кабеля 2, что важно и необходимо в случае обрыва последнего для извлечения всей сборной конструкции из скважины.
т
ш
После завершения формирования жесткого секционированного толкателя ведущую трубу 10 присоединяют к колонне 11, снимают клинья ротора 12 и осуществляют прямую циркуляцию промывочной жидкости (с вращением и расхаживанием колонны 11 при необходимости). При этом скорость спуска прибора 13 внутри колонны 11 будет определяться силами гидравлических сопротивлений, возникающих во время движения сборной конструкции и прежде всего в кольцевом зазоре между стенками бурильных труб и продавочной пробкой 32. Причем благодаря наличию переносной скорости промывочной жидкости производительность буровых насосов может быть такой же, как и при бурении, а скорость спуска прибора при прокачивании жидкости может достигать 6000-7000 м/ч. После выхода прибора 13 в открытый ствол скважины на длину толкателя, о чем судят по резкому падению давления на стояке манифольда буровой установки при выходе пробки 32 из заходной воронки, предусмотренной на конце колонны 11, незамедлительно с помощью лебедки начинают подъем прибора 13 с одновременной регистрацией геофизических параметров в исследуемом интервале. Причем в случае наличия условий, увеличивающих опасность прихвата колонны 11, промывку скважины при некотором снижении расхода циркулирующей жидкости продолжают при одновременном слежении за допустимым натяжением кабеля 2. Подъем прибора 13 прекращают при нахождении головной части толкателя в двух, трех десятках метров от устья скважины, ставят колонну на клинья ротора 12, приводя ее таким образом в исходное состояние, и после доведения параметров бурового раствора до заданных значений отсоединяют от нее ведущую трубу 10 и приподнимают вертлюг 8 на исходную высоту. После чего с помощью лебедки 1 на малой скорости обеспечивают выход из колонны 11 головной части толкателя, разбирают ее, а затем после вхождения верхнего конца каждой штанги в отверстие ведущей трубы 10 при соблюдении ранее принятых значений технологических величин L и L производят в обратном порядке демонтаж толкателя и всего оборудования, использованного для проведения геофизических работ.