RU2501945C1 - Drilling method of high-permeability rocks at construction of horizontal wells - Google Patents

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: method involves creation of differential pressure in a well-formation system due to density of flushing liquid, creation of hydrodynamic component of differential pressure by starting drilling pumps at approximation of a bit to a working face, as well as switching-over the hammer to design load and frequency of its rotation. Differential pressure of flushing liquid at the face is increased till drilling speed increase is stopped with further maintenance of the set mode.

EFFECT: increasing the drilling rate of high-permeability rocks during inclined and horizontal drilling.

4 dwg

Description

Изобретение относится к способам бурения скважин, а именно способу бурения высокопроницаемых горных пород, которыми слагаются, как правило, промышленные пласты и которые разбуриваются наклонными и горизонтальными скважины.The invention relates to methods for drilling wells, namely, a method for drilling highly permeable rocks, which are usually composed of industrial formations and which are drilled by inclined and horizontal wells.

Известен способ бурения, в котором расход промывочной жидкости, применяемой так же и для выноса выбуренной породы на поверхность, ограничивается диаметром скважины, ее глубиной, т.е. давлением на буровых насосах (их потенциалом), которое слагается из перепада давлений в бурильных трубах, долоте и в затрубном пространстве [1] (аналог). Высокая перемежаемость горных пород, в том числе и по проницаемости, в способе бурения не учитывается.There is a known drilling method in which the flow rate of the flushing fluid, which is also used to carry the cuttings to the surface, is limited by the diameter of the well, its depth, i.e. the pressure on the mud pumps (their potential), which is the sum of the differential pressure in the drill pipe, bit and annulus [1] (analog). High intermittency of rocks, including permeability, is not taken into account in the drilling method.

Известный способ бурения, включающий бурение высокопроницаемых горных пород, при строительстве горизонтальных скважин, принятый за прототип [2], включает в себя создание перепада давления в системе «скважина - пласт» за счет плотности промывочной жидкости, создание гидродинамической составляющей перепада давления запуском буровых насосов при приближении долота к забою, а также вывод долота на проектную нагрузку и частоту его вращения. Проницаемость горных пород не учитывается, поскольку пласты высокопроницаемых горных пород имеют незначительную мощность, проходятся быстро и в балансе времени строительства скважин существенной роли не играют. Кроме того, влияние перепада гидростатического и пластового давления на скорость бурения высокопроницаемых пород в достаточной мере не изучено. Однако с широким развитием строительства наклонных и горизонтальных скважин, в которых разбуриваемая мощность высокопроницаемых пород значительно умножилась, эффективное прохождение образовавшихся объемов приобрело особую актуальность.A known method of drilling, including drilling highly permeable rocks in the construction of horizontal wells, adopted as a prototype [2], includes the creation of a pressure drop in the system "well - reservoir" due to the density of the flushing fluid, the creation of the hydrodynamic component of the pressure drop by starting the mud pumps when the approach of the bit to the bottom, as well as the withdrawal of the bit at the design load and its rotation frequency. The permeability of rocks is not taken into account, since the layers of highly permeable rocks have insignificant thickness, pass quickly and do not play a significant role in the balance of the time of well construction. In addition, the effect of the difference in hydrostatic and reservoir pressure on the drilling rate of highly permeable rocks has not been adequately studied. However, with the widespread development of the construction of deviated and horizontal wells, in which the drillable power of highly permeable rocks has significantly increased, the effective passage of the resulting volumes has gained particular relevance.

Целью изобретения является существенное повышение скорости проходки при разбуривании высокопроницаемых горных пород в наклонном и горизонтальном бурении.The aim of the invention is to significantly increase the penetration rate when drilling highly permeable rocks in inclined and horizontal drilling.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе бурения перепад давления промывочной жидкости на забое поднимается вплоть до прекращения роста скорости бурения с дальнейшим поддержанием установленного режима.This goal is achieved by the fact that in the known method of drilling, the pressure drop of the flushing fluid at the bottom rises until the cessation of the growth of the drilling speed with further maintenance of the established mode.

На фиг.1 приведены зависимости механической скорости V от перепада давлений ΔР в системе «скважина - пласт» с различными частотами вращения долота n, причем n₃>n₂>n₁, при разбуривании непроницаемой горной породы на технической воде. В данном случае перепад давлений ΔР равен гидростатическому давлению столба промывочной жидкости - технической воды, поскольку порода непроницаема.Figure 1 shows the dependences of the mechanical velocity V on the pressure drop ΔР in the "well-formation" system with various bit rotation frequencies n, and n ₃ > n ₂ > n ₁ , when drilling an impermeable rock using industrial water. In this case, the pressure drop ΔР is equal to the hydrostatic pressure of the column of flushing fluid - industrial water, since the rock is impermeable.

На фиг.2 показаны зависимости механической скорости V от перепада давлений ΔР в системе «скважина - пласт» при разбуривании слабопроницаемой горной породы (известняк) на глинистом растворе в тех же частотах вращения долота n.Figure 2 shows the dependences of the mechanical velocity V on the pressure drop ΔР in the well-formation system during drilling of a permeable rock (limestone) on a clay solution at the same bit rotation frequencies n.

На фиг.3 представлены зависимости V(ΔP) при бурении высокопроницаемых горных пород (песчаник) с промывкой забоя технической водой на тех же частотах вращения долота n₃>n₂>n₁. Ромбами 2 и 3 на оси ординат отмечены данные бурения высокопроницаемых пород на частотах вращения долота n₂ и n₃ с очисткой забоя воздухом. Штрихпунктирной линией А обозначен уровень гидродинамического давления на пласт высокопроницаемых пород, возникающий при циркуляции промывочной жидкости (воды) в системе бурящейся скважины: по бурильным трубам, в долоте на забое и взатруном пространствеFigure 3 shows the dependences V (ΔP) when drilling highly permeable rocks (sandstone) with washing the face with industrial water at the same bit rotation frequencies n ₃ > n ₂ > n ₁ . Diamonds 2 and 3 on the ordinate axis indicate drilling of highly permeable rocks at bit rotation frequencies n ₂ and n ₃ with air face cleaning. Dash-dotted line A denotes the level of hydrodynamic pressure on the formation of highly permeable rocks that occurs during the circulation of flushing fluid (water) in the system of the drilled well: through drill pipes, in the bit on the bottom and in the annulus

Линия С из точки 4 - график зависимости V(ΔР) указывающий на возможности роста скорости бурения при увеличении перепада гидродинамического давления технической воды в циркуляционной системе скважины.Line C from point 4 is a graph of the dependence V (ΔР) indicating the possibility of an increase in the drilling speed with an increase in the hydrodynamic pressure drop of the process water in the borehole circulation system.

На фиг.4 приведены зависимости механической скорости V от перепада давлений ΔР в циркуляционной системе с частотами вращения долота n₃>n₂>n₁ при разбуривании высокопроницаемой горной породы на глинистом растворе. Ромбами 2 и 3 на оси ординат выделено бурение высокопроницаемых пород с очисткой забоя воздухом на частотах вращения долота n₂ и n₃. Точкой 1 на оси ординат отмечено положение так называемой «критической» скорости, при которой она отображает скорость перемещения кольматационного слоя поверхности забоя при бурении. «Критическая» скорость определяет характер процесса бурения: если значение V ниже точки 1, характер графика зависимости F(ΔP) формируется по траектории n₁ при этом разбуривается всегда кольматированный слой поверхности забоя; если V выше точки 1, график зависимости V(ΔР) видоизменяется в соответствии закономерностям близким n₂ и n₃ с разбуриванием девственной поверхности забоя.Figure 4 shows the dependences of the mechanical velocity V on the pressure drop ΔP in a circulation system with bit rotation frequencies n ₃ > n ₂ > n ₁ when drilling highly permeable rock in a clay solution. Diamonds 2 and 3 on the ordinate axis highlight the drilling of highly permeable rocks with air face cleaning at bit rotation frequencies n ₂ and n ₃ . Point 1 on the ordinate axis marks the position of the so-called “critical” speed, at which it displays the velocity of the mud layer of the bottom surface during drilling. The “critical” speed determines the nature of the drilling process: if the value of V is below point 1, the nature of the F (ΔP) plot is formed along the path n _1, while the matted surface layer is always drilled; if V is higher than point 1, the graph of the dependence V (ΔР) is modified in accordance with regularities close to n ₂ and n ₃ with drilling the virgin surface of the face.

Следует отметить, что дело здесь не столько в частоте вращения долота, сколько в абсолютной величине скорости бурения, которая находится в зависимости от целого ряда технико-технологических параметров.It should be noted that the point here is not so much in the bit rotation frequency as in the absolute value of the drilling speed, which depends on a number of technical and technological parameters.

Штриховой линией В обозначен перепад давления в системе «скважина - пласт» создаваемый плотностью (удельным весом) промывочной жидкости (глинистый раствор), находящейся в скважине. Штрихпунктирной линией А обозначен уровень гидродинамического давления на пласт высокопроницаемых пород, суммарный перепад воздействия плотности и движения промывочной жидкости в циркуляционной системе.The dashed line B indicates the pressure drop in the well-reservoir system created by the density (specific gravity) of the flushing fluid (clay solution) located in the well. Dash-dotted line A indicates the level of hydrodynamic pressure on the formation of highly permeable rocks, the total difference in the effect of density and movement of the washing fluid in the circulation system.

Линия С исходящая из точки 4 между частотами вращения долота от n₂ до n₃ - это график зависимости V(ΔР), представляющий перспективу заявляемого способа. При увеличении гидродинамической нагрузки на забой в точке 4, путем повышения расхода промывочной жидкости и качественного подбора гидромониторного долота характер графика зависимости V(ΔР) приобретает вид линии 4-С.Line C originating from point 4 between the bit rotation frequencies from n ₂ to n ₃ is a graph of the dependence V (ΔP), representing the perspective of the proposed method. With an increase in the hydrodynamic load on the face at point 4, by increasing the flow rate of the flushing fluid and high-quality selection of the hydraulic monitor bit, the character of the dependence graph V (ΔР) takes the form of a 4-С line.

Фиг.1 и фиг.2 приведены для демонстрации доминирующего представления влияния перепада давления на скорость бурения в среде научной общественности: резкое падение скорости с постепенным выполаживанием при увеличении перепада с учетом особенностей влияния частоты вращения долота и нагрузки на него. Доминанта обусловлена тем, что разрез скважины в большинстве своем представлен 70% непроницаемыми породами, 25% слабопроницаемыми и только 5% высокопроницаемыми. Последние разбуриваются безболезненно для баланса времени строительства скважины. Характер поведения зависимости V(ΔР) высокопроницаемых пород с определенного значения ΔР идентичен непроницаемым и слабопроницаемым (см. фиг.3 и фиг.4), поэтому не изучался детально, а встречаемые в начале эксцессы принимались за статистический разброс. Автором изобретения процесс изучен достаточно подробно в эксперименте и предлагается к реализации в связи с появившимися большими мощностями высокопроницаемых пород в наклонных и горизонтальных скважинах, где положительный эффект может быть значимым. Из фиг.3 и фиг.4 следует, что бурение на жидких компонентах выноса выбуренной породы могут существенно превосходить бурение с продувкой забоя воздухом (точки 2 и 3 на оси ординат).Figure 1 and figure 2 are shown to demonstrate the dominant view of the effect of pressure drop on the drilling speed in the scientific community: a sharp drop in speed with a gradual flattening with increasing drop, taking into account the peculiarities of the influence of the bit speed and load on it. The dominant is due to the fact that the well section is mostly represented by 70% impermeable rocks, 25% low permeability and only 5% high permeability. The latter are drilled painlessly to balance the time of well construction. The behavior of the dependence V (ΔР) of highly permeable rocks with a certain ΔР value is identical to impermeable and weakly permeable (see Fig. 3 and Fig. 4), therefore, it has not been studied in detail, and the excesses encountered at the beginning were taken as a statistical spread. By the inventor, the process has been studied in sufficient detail in the experiment and is proposed for implementation in connection with the large capacities of highly permeable rocks that have appeared in deviated and horizontal wells, where the positive effect can be significant. From figure 3 and figure 4 it follows that drilling on the liquid components of the removal of cuttings can significantly exceed drilling with blowing the bottom of the air (points 2 and 3 on the ordinate axis).

Последовательность реализации заявленного способа с привязкой к фиг.3 и фиг.4 следующая. При приближении долота к забою включаются буровые насосы сопровождающиеся выходом на гидродинамическую составляющую перепада давления - линия А на фиг.3 и фиг.4. Запускается вращение долота с частотой вращения, например, между n₂-n₃ и нагружается долото до выхода в точку 4 на линии А. Это обычный способ бурения. Далее по заявленному способу. Запускаются дополнительные гидравлические мощности, чтобы перепад давления промывочной жидкости увеличился из уровня точки 4 в уровень окончания линии С, сопровождаемый ростом скорости бурения. В конце линии С рост V прекращается и дальнейшее увеличение перепада становится бессмысленным, поскольку скорость бурения будет снижаться.The sequence of implementation of the claimed method with reference to figure 3 and figure 4 is as follows. When approaching the bit to the bottom, the mud pumps turn on, which are accompanied by access to the hydrodynamic component of the differential pressure - line A in figure 3 and figure 4. The bit starts to rotate at a speed of, for example, between n ₂ -n ₃ and the bit is loaded until it reaches point 4 on line A. This is a common method of drilling. Further, according to the claimed method. Additional hydraulic powers are started so that the pressure drop of the flushing fluid increases from the level of point 4 to the level of the end of line C, accompanied by an increase in the drilling speed. At the end of line C, the growth of V stops and a further increase in the difference becomes meaningless, since the drilling speed will decrease.

В реальном бурении после выхода на проектный гидродинамический уровень перепада с началом вращения долота на проектной частоте производится его нагружение, регламентированное, например, навигацией продвижения бурового инструмента. Ресурс исчерпан. Подключается гидродинамическое ускорение бурения перепадом давления. Если прирост скорости не исчерпан, т.е. зависимость V(ΔР) продолжает расти, следует заменить гидравлический забойный двигатель на ГЗД с большей частотой вращения и большей пропускной способностью, а также другие полезные решения. Возможно, и снижение перепада из области правее С.In real drilling, after reaching the design hydrodynamic level of the differential with the start of rotation of the bit at the design frequency, it is loaded, regulated, for example, by the navigation of the advancement of the drilling tool. The resource has been exhausted. Hydrodynamic acceleration of drilling is connected by differential pressure. If the speed increase is not exhausted, i.e. the dependence V (ΔР) continues to grow; the hydraulic downhole motor should be replaced with a hydraulic motor with a higher rotational speed and higher throughput, as well as other useful solutions. Perhaps a decrease in the difference from the area to the right of C.

Как видно из фиг.4 достигается 35% успеха по сравнению с обычным способом и 40% по сравнению с очисткой забоя воздухом.As can be seen from figure 4 achieved 35% success compared to the conventional method and 40% compared to the cleaning of the bottom of the air.

Долота следует применять специальные, у которых гидромониторные насадки направлены непосредственно на забой под набегающую шарошку с дополнительной центральной насадкой и ступенькой на периферийном вооружении.Chisels should be used special, in which the hydraulic nozzles are directed directly to the face under the running cone with an additional central nozzle and a step on peripheral weapons.

Claims (1)

Способ бурения высокопроницаемых горных пород при строительстве горизонтальных скважин, включающий в себя создание перепада давлений в системе «скважина - пласт» за счет плотности промывочной жидкости, создание гидродинамической составляющей перепада давлений запуском буровых насосов при приближении долота к забою, а также вывод долота на проектную нагрузку и частоту его вращения, отличающийся тем, что, с целью существенного повышения скорости бурения, перепад давлений промывочной жидкости на забое поднимается до прекращения роста скорости бурения с дальнейшим поддержанием установленного режима. A method of drilling highly permeable rocks during the construction of horizontal wells, which includes creating a differential pressure in the "well-formation" system due to the density of the flushing fluid, creating the hydrodynamic component of the differential pressure by starting the drilling pumps when the bit approaches the bottom, and also bringing the bit to the design load and its rotation frequency, characterized in that, in order to significantly increase the drilling speed, the pressure drop of the flushing fluid at the bottom rises until the growth ceases with drilling rate with further maintenance of the established regime.

Images