Результат интеллектуальной деятельности: Способ строительства бокового ствола скважины

Изобретение относится к области бурения боковых стволов нефтяных и газовых скважин, а именно к способам предотвращения разрушения и обвала стенок скважины при бурении интервалов с неустойчивыми породами.

Известен способ строительства наклонно направленной скважины в условиях кавернообразования и поглощения (патент RU № 2704089, МПК E21B 7/00, E21B 33/138, опубл. 23.10.2019 Бюл. № 30), включающий бурение и спуск направления, кондуктора, вскрытие зоны осыпания верейского горизонта, углубление забоя ниже зоны осыпания на 10-15 метров, промывку ствола скважины для образования каверн в зоне осыпания, технологическую выдержку для осыпания грунта из каверн, установку цементного моста, технологическую выдержку на ожидание затвердения цемента в течение 4-6 часов, разбуривание цементного моста и бурение до проектной глубины, причем до бурения на участке бурения определяют глубины залегания зон кавернообразования и поглощения, расположенных ниже верейского горизонта, после разбуривания цементного моста в зоне осыпания верейского горизонта продолжают бурение на глинистом растворе с плотностью, близкой к плотности пластовой жидкости вмещающих пород, до вскрытия зоны поглощения, производят изоляцию зоны поглощения установкой цементного моста, затем устанавливают цементный мост на участке ствола с перекрытием зоны кавернообразования высотой не более 80 м, проводят технологическую выдержку на затвердевание цементного моста в течение 4-6 часов с последующим разбуриванием.

Недостатками данного способа являются узкая область применения из-за возможности реализации зон осыпания верейского горизонта, сложность сохранения проектного направления бурения, так как после ожидания затвердения цемента (ОЗЦ) верхний уровень цементного моста стремиться к горизонтальному расположению, что уводит долото при дальнейшем бурении в сторону от бокового (располагаемого под ненулевым зенитным углом) ствола, особенно в рыхлых и осыпающихся породах.

Наиболее близким по технической сущности является способ проходки неустойчивых пород при бурении бокового ствола c горизонтальным окончанием (патент RU № 2714397, МПК E21B 7/04, E21B 33/10, опубл. 14.02.2020 Бюл. № 5), включающий вырезание окна в эксплуатационной колонне, бурение бокового ствола, крепление бокового ствола колонной труб с установленным на нижнем конце башмаком, бурение бокового ствола до проектного забоя, причем предварительно определяют зону неустойчивых пород пласта, после вырезания окна в эксплуатационной колонне производят бурение бокового ствола долотом диаметром на 1,3-2,5% меньше диаметра вырезанного окна со вскрытием зоны неустойчивых пород пласта, спускают до забоя безмуфтовую колонну-летучку на колонне бурильных труб, оснащенную посадочным устройством сверху, а снизу - разбуриваемым прорабатывающим башмаком, повышают гидравлическое давление в колонне бурильных труб, отцепляют и извлекают посадочное устройство с колонной бурильных труб, при этом диаметр безмуфтовой колонны-летучки на 7-8 % меньше диаметра пробуренного бокового ствола, бурение бокового ствола из безмуфтовой колонны-летучки до проектного забоя производят долотом на 1,5-3% меньше внутреннего диаметра безмуфтовой колонны-летучки.

Недостатками данного способа являются узкая область применения из-за жестких ограничений по переходу одного диаметра бурения в другой, так как такой маленький разброс при бурении скважин малого диаметра (114 мм и меньше) выдержать практически невозможно, сложность реализации и высокая вероятность аварийности из-за сохранения подвижности колонны-летучки, так как формирование верхнего раструба в ней не контролируется в скважине а зонах неустойчивых пород низкая вероятность надёжного взаимодействия со стенками скважины.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа строительства бокового ствола скважины, позволяющего надежно изолировать при вскрытии зоны неустойчивых пород пласта без возможных аварийных ситуаций за счет предварительного укрепления стенок скважины с последующим цементированием безмуфтовой колонны-летучки.

Техническая задача решается способом строительства бокового ствола скважины, включающем предварительное определение зоны неустойчивых пород, вырезание окна в эксплуатационной колонне, бурение бокового ствола, крепление бокового ствола безмуфтовой колонной-летучкой в определенной зоне неустойчивых пород с установленным на нижнем конце разбуриваемым башмаком, бурение бокового ствола до проектного забоя.

Новым является то, что боковым стволом зону неустойчивых пород вскрывают в три этапа, на первом из которых проводят бурение до кровли зоны неустойчивых пород с использованием технической воды для облегчения прокачки через затрубье бурильной колонны, проходку на втором этапе зоны неустойчивых пород на буровом растворе на углеводородной основе, расширение ствола скважины на третьем этапе зоны неустойчивых пород на буровом растворе на углеводородной основе, причем расширение производят для обеспечения ламинарного потока жидкости в интервале расширения за бурильной колонной и повышенного статического давления, позволяющего глубже проникать буровому раствору в интервал неустойчивых пород, спускают на технологической колонне с автоотцепом до забоя и цементируют безмуфтовую колонну-летучку с последующим отсоединением от нее технологической колонны, которую с промывкой извлекают на поверхность, после ожидания затвердения цемента производят бурение бокового ствола до проектного забоя.

Новым является также то, что после извлечения технологической колонны, но до отверждения цемента, колонну-летучку развальцовывают для увеличения внутреннего диаметра и более глубокого проникновения цемента в зону неустойчивых пород.

Новым является также то, что буровой раствор на углеводородной основе приготавливают на основе нефти и/или дизельного топлива, смешанного с водой и добавлением утяжелителей для обеспечения необходимого удельного веса, который позволяет надежно закольматировать и уплотнить стенки скважины в зоне неустойчивых пород.

На фиг. 1 изображена схема реализации способа после прохождения боковым стволом зоны с неустойчивыми породами.

На фиг. 2 изображена схема реализации способа после расширения бокового ствола в зоне с неустойчивыми породами.

На фиг. 3 изображена схема реализации способа после установки колонны-летучки и дальнейшей проходки бокового ствола.

Конструктивные элементы и технологические соединения, не влияющие на работоспособность способа, на фиг. 1 – 3 не показаны, или показаны условно.

Способ строительства бокового ствола 1 (фиг. 1) скважины 2 включает предварительное определение зоны 3 неустойчивых пород, установку клина-отклонителя 4 (см. патенты RU №№ 2414580, 2429335, 2568454 или т.п.), вырезание окна 5 в эксплуатационной колонне 6 скважины 2, предварительное бурение на первом этапе бокового ствола 1 до кровли 7 зоны 3 неустойчивых пород с использованием технической воды для облегчения прокачки через затрубье бурильной колонны с долотом (не показаны). На втором этапе бурением проходят зону 3 неустойчивых пород на буровом растворе на углеводородной основе (соответствующей ТУ 2413-003-52412574-01, см. также патенты RU №№ 2016041, 2208035 или т.п.). На территории Республики Татарстан (РТ) хорошо показал себя буровой раствор на углеводородной основе, который приготавливают на основе нефти и/или дизельного топлива, смешанного с водой и добавлением утяжелителей для обеспечения необходимого удельного веса (который для подбирается эмпирическим путем для каждого месторождения). В качестве утяжелителей может использоваться кварцевый песок, мраморная крошка или их сочетание. Данный буровой раствор на углеводородной основе на месторождениях РТ позволяет надежно закольматировать и уплотнить стенки скважины в зоне 3 неустойчивых пород и хорошо выносить на поверхность обрушающееся породы этой зоны 3. Исходя из возможного расхода (Q м³/с) бурового раствора, создаваемого устьевым агрегатом (не показан), внутреннего диаметра бокового ствола 1 и диаметра колонны-летучки 8 (показана условно на фиг. 3) определяют число Рейнольдса (Re) и скорость (v м/с) течения жидкости в затрубье колонны-летучки 8.

Число Рейнольдса (Re) определяют по формулам:

[1]

где Re – число Рейнольдса;

ρ – плотность бурового раствора, кг/м³;

v – скорость потока бурового раствора в затрубье, м/с;

D_г – гидравлический диаметр, м;

η – динамическая вязкость бурового раствора, Па⋅с или кг/(м⋅с);

ν – кинематическая вязкость бурового раствора (ν=η/ρ), м²/с;

Q – расход бурового раствора, м³/с;

π = 3.14159;

D – внутренний диаметр бокового ствола 1, м;

d – наружный диаметр колонны-летучки 8, м.

Причем для кольцевого сечения D_г определяют по формуле:

[2]

где D_г – гидравлический диаметр, м;

D – диаметр бокового ствола 1, м;

d – наружный диаметр колонны-летучки 8, м.

Расход (Q) определяется по формуле:

[3]

где Q – расход бурового раствора, м³/с;

v – скорость потока бурового раствора, м/с;

π = 3.14159;

D – внутренний диаметр бокового ствола 1, м;

d – наружный диаметр колонны-летучки 8, м.

Исходя из формул [1] [2] [3] получаем следующую формулу:

[4]

где Re – число Рейнольдса;

v – скорость потока бурового раствора в затрубье, м/с;

ν – кинематическая вязкость бурового раствора, м²/с;

Q – расход бурового раствора, м³/с;

π = 3.14159;

D – внутренний диаметр бокового ствола 1, м;

d – наружный диаметр колонны-летучки 8, м.

Зная, что для получения ламинарного потока для концентрической щели, необходимо, чтобы числе Рейнольдса Re ≤ 1100, кинематическая вязкость (ν) бурового раствора определяется точно в лабораторных условиях, то из формулы [4] необходимый внутренний диаметр бокового ствола после расширения (D = D_р) для обеспечения ламинарного потока жидкости:

[5]

где D_р – внутренний диаметр бокового ствола после расширения, м;

Re – число Рейнольдса, Re = 1100;

ν – кинематическая вязкость бурового раствора, м²/с;

Q – расход бурового раствора, м³/с;

π = 3.14159;

d – наружный диаметр колонны-летучки 8, м.

Внутренний диаметр бокового ствола после расширения (D_р) из полученных условий принимают, учитывая применяемые расширители ствола скважины (см. патенты RU №№ 2538021, 2299303, 2550614 или т.п.).

Расширение 9 (фиг. 2) бокового ствола 1 скважины 2 проводят на третьем этапе зоны 3 неустойчивых пород на буровом растворе на углеводородной основе.

Производят спуск в боковой ствол 1 (фиг. 3) на технологической колонне (не показана) колонны-летучки 8 с промывкой буровым раствором, обеспечивая ламинарный поток жидкости в затрубье колонны-летучки 8 и интервале расширения 9. Отсутствие турбулентного потока в затрубье колонны-летучки 8 и небольшое значение числа Рейнольдса (Re) исключают интенсивное разрушение стенок скважины в интервале расширения 9 в пределах зоны 3 неустойчивых пород и сводят к минимуму аварийные ситуации, связанные с прихватом (застреванием) колонны-летучки 8 в боковом стволе из-за обвала породы в зоне 3.

При этом происходит интенсивная кольматация и уплотнение стенок бокового ствола 1 скважины 2 за счет более низкой скорости потока бурового в затрубье колонны-летучки 8 повышается гидростатическое давление, так как согласно формуле Бернулли:

[6]

где P – гидростатическое давление, МПа;

ρ – плотность бурового раствора, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, 9,81 м²/с;

h – глубина измерения от устья скважины в зоне 3 неустойчивых пород, м;

v_р – скорость потока бурового раствора в затрубье колонны-летучки 8 после расширения бокового ствола 1, м/с.

Так как давление для преодоления столба жидкости с глубины h (ρ•g•h) остается постоянной, то изменения скорости (v) изменению гидростатического давления (Р).

Скорость (v) потока бурового раствора в затрубье колонны-летучки 8 поле расширения определяют также из формулы [4]:

[7]

где v – скорость потока бурового раствора в затрубье, м/с;

D_р – внутренний диаметр бокового ствола после расширения, м;

d – наружный диаметр колонны-летучки, м;

Re – число Рейнольдса, Re = 1100;

ν – кинематическая вязкость бурового раствора, м²/с.

Скорость (v) потока бурового раствора в затрубье колонны-летучки 8 до расширения определяют также из формулы [3]:

[8]

где v – скорость потока бурового раствора в зарубе колонны-летучки 8 до расширения, м/с;

Q – расход бурового раствора, м³/с;

π = 3.14159;

D – внутренний диаметр бокового ствола 1 до расширения, м;

d – наружный диаметр колонны-летучки 8, м.

Коэффициент изменения скорости в зарубе колонны-летучки 8 после расширения и до расширения составляет:

[9]

где v – скорость потока бурового раствора в зарубе колонны-летучки 8 до расширения, м/с;

v_р – скорость потока бурового раствора в затрубье колонны-летучки 8 после расширения бокового ствола 1, м/с.

Для месторождений РТ коэффициент изменения скорости (k) составляет 0,4 – 0,5, то есть гидростатическое давление (Р) увеличится в 6,25 – 4 раза соответственно, что обеспечивает интенсивную кольматацию и уплотнение стенок бокового ствола 1 скважины 2 в зоне 3 неустойчивых пород, минимизируя вероятность их обрушения.

После опоры на временный забой 10 (фиг. 2) башмака (не показан) колонны-летучки 8 (фиг. 3), через технологическую колонну закачивают цементный раствор, который проходя через башмак колонны-летучки 8 поднимается по ее затрубью, заполняя его. После прокачки расчетного количества цементного раствора или при получении «стоп» (резкого роста давления, при использовании разделительной цементной пробки, взаимодействующей в конце закачки со «стоп-кольцом» – не показаны) закачку прекращают, при помощи автоотцепа (см. патенты RU №№ 50587, 2113589, 2151260, 2455451 или т.п.) отсоединяют технологическую колонну и с промывкой технической водой извлекают из скважины для вымывания остатков цемента внутри и сверху колонны-летучки 8. Использование в качестве колонны-летучки 8 безмуфтовых труб (например, колтюбинговых труб) уменьшает перепад внутренних диаметров пробуренного бокового ствола 1 и колонны-летучки 8.

Если присутствует необходимость (по проекту строительства скважины 2) увеличить внутренний диаметр углубления 11 (фиг. 3) бокового ствола 1, то затвердения цемента колонну-летучку 8 развальцовывают (см. патенты RU №№ 2259462, 2387801, 2636608 или т.п.) по всей длине до получения необходимого внутреннего диаметра, позволяющего производить необходимым диаметром углубления 11. При этом происходит уплотнение в затрубье колонны-летучки 8 и более глубокое проникновение цемента в зону 3 неустойчивых пород.

После ожидания затвердения цемента (ОЗЦ) в затрубье колонны-летучки 8 (после развальцовки или нет), разбурив предварительно башмак и пробку со стоп-кольцом (при их наличии), производят углубление 11 бурением бокового ствола 1 до проектного забоя (не показан) с изменением или нет зенитного угла (авторы на это не претендуют).

Предлагаемый способ строительства бокового ствола скважины позволяет надежно изолировать при вскрытии зоны неустойчивых пород пласта без возможных аварийных ситуаций за счет предварительного укрепления стенок скважины с последующим цементированием безмуфтовой колонны-летучки.