Design of bottom hole assemblies with two rock cutting tools for drilling wells of large diameter

Abstract

Purpose. A methodology development for calculating the bottom hole assemblies (BHA) with two rock cutting tools for drilling the wells of large-diameter with an ability to manage the trajectory. Methods. A mathematical model has been developed for calculating the assemblies for drilling wells of large-diameter using two rock cutting tools – a bit and a reamer. The main technical and geological factors have been modelled, which influence the assembly elements (stress-strain state of the BHA, deflecting forces arising due to the rock influence). An algorithm for determining the distribution of axial load between the bit and the reamer has been developed. It has been modelled the formation of the reamer eсcentrical displacement relative to the pilot wellbore and the change in the intensity of the wellbore curvature in the process of deepening. Further on, a practical calculation according to the developed methodology is given. Findings. It has determined that an increase in the resource coefficient of cutting structure (that is, an increase in the total number of teeth on a bit, or a decrease in teeth on a reamer) leads to a decrease in the load on the bit. With an increase in the coefficient of destruction areas, the load on the bit decreases. It has been revealed that when drilling with assemblies, a significant influence on the stress-strain state of the BHA and on the change in deflecting forces, has an eccentricity on the reamer, while the intensity of the well curvature changes. It has been proven that the same assembly allows the well to be drilled with different curvature intensities, which can be adjusted by placing a restrictor under the reamer. Originality. A new comprehensive approach is proposed to the calculation of assemblies with two rock cutting tools, which is different in that it allows to perform an iterative cyclic calculation with constant refinement of the main parameters and the creation of a data set for constructing a well trajectory. Practical implications. The developed methodology for calculating the bottom hole assemblies with two rock cutting tools makes it possible to determine a rational design of the BHA for drilling a well in a specified direction by changing the design parameters of the drill collar (DC), supporting-centering elements (SCE), a bit, a reamer and an eccentricity restrictor.

Мета. Розробка методики розрахунку компоновок низу бурильної колони (КНБК) з двома породоруйнівними інструментами для буріння свердловин великого діаметра з можливістю керування траєкторією. Методика. Розроблено математичну модель розрахунку компоновок для буріння свердловин великого діаметра із використанням двох породоруйнівних інструментів – долота та розширювача. Змодельовані основні технічні й геологічні фактори, що мають вплив на елементи компоновки (напружено-деформований стан КНБК, відхиляючі сили, які виникають через вплив породи). Створено алгоритм для визначення розподілу осьового навантаження між долотом і розширювачем. Змодельовано формування ексцентричного зміщення розширювача відносно пілотного стовбура та зміну інтенсивності викривлення стовбура у процесі поглиблення. Далі наведено практичний розрахунок згідно розробленої методики. Результати. Встановлено, що зростання коефіцієнта ресурсу озброєння (тобто збільшення сумарної кількості зубців на долоті, або їх зменшення на розширювачі) призводить до зменшення навантаження, що припадає на долото. Зі збільшенням коефіцієнта площ руйнування навантаження на долото зменшується. Виявлено, що при бурінні з компоновками значний вплив на напружено-деформований стан КНБК і на зміну відхиляючих сил, має ексцентриситет на розширювачі, при цьому змінюється інтенсивність викривлення свердловини. Доведено, що одна й та сама компоновка дозволяє проводити свердловину з різною інтенсивністю викривлення, яку можна регулювати за допомогою встановлення обмежувача під розширювачем. Наукова новизна. Запропоновано новий комплексний підхід до розрахунку компоновок з двома породоруйнівними інструментами, який відрізняється тим, що дозволяє проводити ітераційний циклічний розрахунок з постійним уточненням основних параметрів і створенням масиву даних для побудови траєкторії свердловини. Практична значимість. Розроблена методика розрахунку компоновок низу бурильної колони з двома породоруйнівними інструментами дозволяє визначити раціональну конструкцію КНБК для буріння свердловини в заданому напрямку за рахунок зміни конструктивних параметрів ОБТ, опорноцентрувальних елементів, долота, розширювача і обмежувача ексцентриситету.

Цель. Разработка методики расчета компоновок низа бурильной колонны (КНБК) с двумя породоразрушающими инструментами для бурения скважин большого диаметра с возможностью управления траекторией. Методика. Разработана математическая модель расчета компоновок для бурения скважин большого диаметра с использованием двух породоразрушающих инструментов – долота и расширителя. Смоделированы основные технические и геологические факторы, влияющие на элементы компоновки (напряженно-деформированное состояние КНБК, отклоняющие силы, возникающие из-за влияния породы). Создан алгоритм для определения распределения осевой нагрузки между долотом и расширителем. Смоделировано формирование эксцентричного смещения расширителя относительно пилотного ствола и изменение интенсивности искривления ствола в процессе углубления. Далее приведен практический расчет согласно разработанной методики. Результаты. Установлено, что рост коэффициента ресурса вооружения (то есть увеличение суммарного количества зубцов на долоте, или их уменьшение на расширителе) приводит к уменьшению нагрузки, приходящейся на долото. С увеличением коэффициента площадей разрушения нагрузка на долото уменьшается. Выявлено, что при бурении с компоновками значительное влияние на напряженно-деформированное состояние КНБК и на смену отклоняющих сил, имеет эксцентриситет на расширителе, при этом изменяется интенсивность искривления скважины. Доказано, что одна и та же компоновка позволяет проводить скважину с разной интенсивностью искривления, которую можно регулировать посредством установления ограничителя под расширителем. Научная новизна. Предложен новый комплексный подход к расчету компоновок с двумя породоразрушающими инструментами, который отличается тем, что позволяет проводить итерационный циклический расчет с постоянным уточнением основных параметров и созданием массива данных для построения траектории скважины. Практическая значимость. Разработана методика расчета компоновок низа бурильной колонны с двумя породоразрушающими инструментами, позволяющая определить рациональную конструкцию КНБК для бурения скважины в заданном направлении за счет изменения конструктивных параметров ОБТ, опорноцентрированных элементов, долота, расширителя и ограничителя эксцентриситета.