СПОСОБ ОРИЕНТИРОВАНИЯ ОТКЛОНИТЕЛЯ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СКВАЖИНАХ

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, в том числе вертикальных, наклонных и горизонтальных, а также направленных боковых стволов из обсаженных скважин.

Обычно для направленного бурения используются отклонители - двигатели-отклонители или клинья-отклонители, позволяющие искривлять скважину в Направлении Действия Отклонителя (НДО). Чтобы НДО совпадал с проектным направлением скважины, необходимо ориентировать отклонитель на забое.

Один из известных способов ориентирования отклонителя (измерения его угла установки) связан со спуском внутрь бурильной колонны на геофизическом кабеле измерительного прибора (инклинометра или телесистемы), который может измерять поворот относительно своей продольной оси, совпадающей с продольной осью скважины. На корпусе прибора имеется метка, соответствующая началу отсчета угла поворота, а прямая, проходящая через эту метку перпендикулярно продольной оси прибора, является его осью чувствительности. Угол между этой осью и вертикальной плоскостью, проходящей через осевую линию скважины, называется Gravity Tool Face (GTF), он характеризует ориентацию отклонителя в наклонной (или горизонтальной) скважине, а ориентация оси чувствительности прибора относительно сторон света - азимут направления оси, характеризует ориентацию отклонителя в вертикальной (слабо наклонной) скважине.

Чтобы "привязать" показания измерительного прибора к реальному углу установки отклонителя используется Ориентирующий Переводник (ОП), устанавливаемый в бурильную колонну над отклонителем. На боковой стенке ОП имеется метка, а прямая, проходящая через эту метку перпендикулярно продольной оси ОП (оси скважины), образует измерительную ось ОП. Для расположенного в ОП измерительного прибора угол сдвига между его осью чувствительности и измерительной осью ОП - известная постоянная величина, так же, как и угол сдвига метки на теле ОП относительно НДО, который замеряется при установке отклонителя и ОП в бурильную колонну (при сборке КНБК). Корректируя результаты измерений прибора на величину a₀, равную сумме этих двух углов, вычисляется реальный угол установки отклонителя НДО.

Известен ОП, описанный в пат. РФ 2030576 от 10.03.1995, авторов Буслаев В.Ф., Путилин П.М., Изъюров А.П. и др.: "Устройство для ориентирования отклонителя в наклонных и горизонтальных скважинах", так называемый "магнитный переводник", который рассмотрим как аналог предлагаемого изобретения. В нем в качестве метки используется постоянный магнит, установленный в стенке ОП. Измерительный прибор, расположенный внутри ОП, измеряет угол сдвига между вертикальной плоскостью, проходящей через осевую линию скважины, и направлением из центра ОП на магнитную метку. Зная сдвиг магнитной метки ОП относительно НДО (измеряя его на поверхности при сборке КНБК), по результатам замера вычисляется угол установки отклонителя GTF. Существенным недостатком этого ОП является его функционирование только в наклонных (горизонтальных) скважинах.

Для ориентации отклонителя в любых, в том числе и в вертикальных скважинах, используется ОП, где меткой является шпонка, установленная на внутренней стенке переводника - см., например, описание телесистемы 3ТС 42КК на сайте разработчика www.vniigis.ru, или в пат. РФ 2087705 от 20.08.1977, авторов Скобло В.З., Семенец В.И., Ропяной А.Ю. «Система измерения забойной информации в процессе бурения "Гирокурсор"», который рассмотрим более подробно в качестве прототипа.

Схематично конструкция и функционирование ОП прототипа показаны на Фиг. 1а и 1б. Измерительный прибор 1 на геофизическом кабеле 2 спускается в колонну бурильных труб 3. В составе КНБК установлен ОП 4 над отклонителем 5. Нижний конец измерительного прибора 1 оборудован специальным узлом - клин-перо 6 с прорезью 7. Когда клин-перо 6, спускаясь на кабеле 2 в бурильную колонну 3, попадает в ПО 4, шпонка 8 на внутренней поверхности ОП обеспечивает поворот клин-пера 6 (и измерительного прибора в целом) вокруг продольной оси скважины таким образом, что шпонка 8 оказывается внутри прорези 7. Клин-перо 6 (и измерительный прибор) "зависает" на этой шпонке, и прибор неподвижно фиксируется в ОП. Чертеж Фиг. 16 иллюстрирует "привязку" результатов измерения направления оси чувствительности прибора к НДО. Измерительный прибор 1 располагается в ОП 4 таким образом (шпонка 8 в прорези 7), что ось чувствительности прибора совпадает с измерительной осью ОП.

При этом

НДО=А₀+а₀,

где А₀ - результат замера направления оси чувствительности прибора,

а₀ - угол сдвига измерительной оси ОП относительно НДО, измеренный при сборке КНБК, N - направление на север.

Таким образом, способ измерения НДО и ориентирования отклонителя в прототипе заключается в следующих операциях:

а) установка ОП над отклонителем при сборке КНБК и измерение угла сдвига между измерительной осью ОП и НДО;

б) спуск КНБК с отклонителем на забой скважины;

в) спуск измерительного прибора в бурильную колонну до его "посадки" на шпонку в ОП;

г) замер направления оси чувствительности прибора А₀ и вычисление НДО;

д) ориентирование отклонителя поворотом бурильной колонны с последующим замером А₀ и вычислением НДО после каждого поворота, вплоть до достижения требуемого (проектного) значения НДО;

е) подъем прибора с забоя и его извлечение из бурильной колонны.

Основной недостаток прототипа заключается в необходимости спуска измерительного прибора на забой скважины, где располагаются отклонитель и ОП. Например, во многих скважинах забойная температура настолько высока, что превышает допустимую для измерительного прибора. Такая ситуация типична для гироскопических инклинометров, используемых для ориентации отклонителей в вертикальных обсаженных скважинах, в частности, при восстановлении скважин бурением боковых стволов. Так, температурный предел гироинклинометров редко превышает 80°, что исключает возможность их использования в многочисленных скважинах с забойными температурами более 80°. Имеющиеся высокотемпературные приборы, как правило, не проходят по габаритам.

Иногда забой скважины (и отклонитель) располагается не в вертикальном, а в наклонном (или горизонтальном) участке траектории скважины. При углах наклона скважины более (50°-60°) доставка на забой измерительного прибора на кабеле под действием собственного веса становится невозможной. Использование для доставки прибора на забой потока бурового раствора ненадежно, требует дополнительного оборудования, увеличивает частоту механических поломок измерительного прибора.

Для устранения указанных недостатков и расширения области применения заявляемого способа ориентирования отклонителя с ориентирующим переводником дополнительно используют один или несколько ориентирующих переводников, устанавливаемых по мере спуска отклонителя на забой скважины в верхний участок бурильной колонны, температура в котором не превышает предельно допустимую рабочую температуру измерительного прибора, а угол наклона которого не более (50°-60°), причем перед установкой каждого последующего (i+1)-го ориентирующего переводника измеряют направление оси чувствительности измерительного прибора, спущенного и установленного в предыдущем, i-м ориентирующем переводнике, причем измеряется азимут направления оси чувствительности прибора - A_i, если измерение производится в вертикальном или слабо наклонном участке бурильной колонны, или измеряется угол между осью чувствительности прибора и вертикальной плоскостью, проходящей через ось скважины в месте замера - величина (GTF)_i, если измерение производится в наклонном участке бурильной колонны с азимутом направления наклона А_накл, затем после установки в бурильную колонну (i+1)-го ориентирующего переводника в нем также измеряют направление оси чувствительности измерительного прибора - A_(i+1), вычисляют разность между результатами замеров в i-м и в (i+1)-м ориентирующих переводниках - a_i, по формулам:

a_i=A_i-A_(i+1), или

a_i=(GTF)_i-(A_(i+1)-А_накл),

в зависимости от того, какой параметр измерялся в i-м ориентирующем переводнике, а направление действия отклонителя, расположенного на забое скважины, вычисляют по результатам замера направления оси чувствительности измерительного прибора в n-м ориентирующем переводнике - An, или (GTF)n, по формулам:

или

где НДО - азимут направления действия отклонителя, если забойный участок скважины вертикальный или слабо наклонный, и по формулам:

или

где GTF - угол установки отклонителя относительно верхней стенки скважины, если забойный участок скважины - наклонный, с азимутом направления наклона А_заб.

Фиг. 2 иллюстрирует заявляемый способ ориентирования отклонителя. В качестве примера используется вертикальная скважина - на ней наиболее просто и наглядно демонстрируется существо и особенности предлагаемого изобретения. Здесь схематично показаны три последовательных этапа спуска отклонителя 5 на забой скважины и соответствующая каждому этапу векторная диаграмма для вычисления НДО. Нумерация элементов продолжается с Фиг. 1, часть из них повторяется: 9 - обсадная труба, 10 - пол буровой (стол ротора), H - глубина спуска верхнего ОП (на Фиг. 2а практически совпадает с глубиной спуска отклонителя). Величина H должна удовлетворять условию H<Hкр, где Hкр - критическая глубина, больше которой нормальное функционирование измерительного прибора невозможно, например, из-за высокой температуры, или невозможна его доставка на эту глубину на кабеле под действием собственного веса прибора. Если глубина забоя скважины Hз меньше критической, т.е. Нз<Hкр, то Фиг. 2а будет иллюстрировать измерение ориентации отклонителя на забое - в бурильную колонну спускают измерительный прибор до его посадки на шпонку 8 в ОП 4, далее производят замер направления измерительной оси ОП - А₀ и вычисляют НДО (см. векторную диаграмму)

НДО=А₀+а₀,

где a₀ - сдвиг между НДО и направлением измерительной оси ОП 4, измеренный на поверхности при сборке КНБК. Если же

то ориентация отклонителя на забое будет иллюстрироваться Фиг. 2б, а на Фиг. 2а изображен промежуточный этап спуска отклонителя на забой. На этом этапе производится замер направления измерительной оси ОП 4 - А₀ (см. выше), затем на верхний конец бурильной колонны устанавливается дополнительный (по сравнению с прототипом) ОП11 со шпонкой 12, измеряется (над столом ротора) направление его измерительной оси - А_пов, и вычисляется сдвиг угла между измерительными осями этих двух ОП - a₁=A₀-А_пов. Затем производится спуск отклонителя на забой (Фиг. 2б), и ОП 11 оказывается спущенным на глубину H<Hкр (в соответствии с (5). Далее в него спускается измерительный прибор, производится его "посадка" на шпонку 12, измеряется направление измерительной оси ОП 11 - A₁, и вычисляется НДО (см. векторную диаграмму Фиг. 2б):

НДО=A₁+a₁+а₀,

Если же глубина забоя еще больше, например

то ситуация на забое будет иллюстрироваться Фиг. 2в, а Фиг. 2б отражает очередной промежуточный этап спуска отклонителя на забой. На этом этапе так же, как на предыдущих, производится замер направления измерительной оси ОП 11 (спущенного на глубину H) - A₁, затем на верхний конец бурильной колонны устанавливается следующий (второй) дополнительный переводник ОП 13 со шпонкой 14, измеряется (над столом ротора) направление его измерительной оси - А_пов, и вычисляется угол сдвига между измерительными осями этих ОП a₂=A₁-А_пов. Далее производится спуск отклонителя на забой (см. Фиг. 2в), и после окончания спуска ОП 13 окажется на глубине

H<H_кр

(это подтверждается соотношениями (5) и (6)); туда спускается измерительный прибор, до его "посадки" на шпонку 14, и производится замер направления измерительной оси ОП 13 - А₂, после чего вычисляется НДО (см. векторную диаграмму Фиг. 2в)

HДО=А₂+a₂+a₁+а₀.

Все рассмотренные варианты реализации заявляемого способа и методика расчета НДО полностью описываются формулой (1):

n=0 - на Фиг. 2а, n=1 - на Фиг. 2б, n=2 - на Фиг. 2в. Теоретически, предлагаемым способом можно ориентировать отклонитель при любой глубине забоя - для этого необходимо установить в бурильную колонну требуемое количество ОП. Однако, практически, редко требуется n>3, поскольку на больших глубинах (при длинной бурильной колонне) управление положением отклонителя поворотом бурильной колонны становится затруднительным.

Заявляемый способ и методика расчета могут применяться в скважинах с различной траекторией. Возможные варианты расчета ориентации отклонителя на забое отражены в формулах (1)-(4).

Положительный эффект предлагаемого способа обусловлен тем, что ориентирование отклонителя на забое скважины производится по результатам замеров в бурильной колонне, в местах, где условия эксплуатации измерительного прибора соответствуют его паспортным значениям, что обеспечивает высокую достоверность измерений и вычисления угла установки отклонителя и НДО.