УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОЛЬМАТАЦИИ СТЕНОК СКВАЖИНЫ Российский патент 1995 года по МПК E21B21/00 E21B37/02 

Устройство относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для гидродинамической обработки стенок скважин кольматантом в процессе бурения для уменьшения их проницаемости.

Известно устройство, аналогичного назначения, содержащее полый корпус с боковыми отверстиями, в которых установлены кольматирующие сопла. Часть бурового раствора вместе с кольматантом (твердые частицы, специально добавляемые в буровой раствор), проходя через боковые отверстия и разгоняясь в кольматирующих соплах, воздействует на стенке скважины и, заполняя пустоты, уменьшает проницаемость стенок [1] Недостатки известного устройства:
малая эффективность кольматации, т.к. на стенки скважины воздействуют лишь той частью кольматанта, которая содержится в буровом растворе, выводимом через кольматирующие сопла к стенкам скважины, а процентное содержание кольматанта в буровом растворе низкое;
т. к. основная часть кольматанта поступает вместе с буровым раствором (через кольматирующие сопла выводится лишь около одной трети раствора) на забой скважины и подвергает абразивному износу рабочие органы долота (шарошки), то ресурс работы долота снижается. Из-за повышенного износа шарошек снижается и скорость проходки долота, т.е. уменьшается производительность труда.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для кольматации стенок скважины, включающее полый корпус, кольматирующие сопла, размещенные в боковых отверстиях стенки корпуса, а также радиально расположенные в полости корпуса лопатки. Закачиваемый в колонну труб буровой раствор на выходе в корпус устройства закручивается лопатками, в результате чего под действием центробежных сил кольматант, имеющий больший удельный вес, чем буровой раствор, группируется на периферии рабочей полости (у стенок устройства), откуда часть его вместе с буровым раствором выводится через кольматирующие сопла и направляется к стенкам скважины [2] Недостатки прототипа те же самые, что и у предыдущего устройства, хотя их действие в данном случае проявляются в меньшей степени; тем не менее, если даже считать, что весь кольматант сгруппировался тонким слоем у стенок рабочей полости устройства, то вместе с раствором выводится к стенкам скважины не более трети кольматанта, а оставшиеся две трети поступают на забой скважины, подвергая абразивному износу рабочие органы долота.

Целью изобретения являются повышение эффективности кольматации, улучшение условий работы и повышение показателей работы долота.

Достигается это устройством, включающим полый корпус, радиально расположенные лопатки и боковые отверстия, выполненные в стенке корпуса, в которых установлены кольматирующие сопла.

Новым в устройстве является то, что оно снабжено диффузором, установленным с возможностью регулировочного осевого перемещения на входе в полый корпус, с плавно уменьшающимся по ходу движения бурового раствора проходным сечением и резким его увеличением в конце, на расчетном расстоянии от плоскости с наименьшим проходным сечением которого по оси симметрии устройства установлена полая ловушка, жестко закрепленная лопатками к внутренней стенке корпуса, пустотелые из которых сообщают внутреннее пространство ловушки с боковыми отверстиями в стенке корпуса, в которых установлены кольматирующие сопла; при этом диаметр входного сечения полости ловушки связан с диаметром минимального проходного сечения диффузора (выхода из диффузорной части) соотношением
D_вх.лов ≥ D_{вых.дифф}+2 ln1 + , м где D_вх.лов диаметр входного сечения полости ловушки, м;
D_{вых.дифф} диаметр минимального проходного сечения диффузора, м;
S расстояние от плоскости наименьшего проходного сечения диффузора до входной кромки полости ловушки, м;
a ≈ 0,33 м^-1;
относительная скорость кольматанта на выходе из диффузора (скорость кольматанта, отнесенная к скорости потока жидкого агента бурового раствора, огибающего ловушку);
γ_ж, γ_к удельные веса жидкого агента бурового раствора и кольматанта соответственно, кг/м³;
d_к поперечный размер (условный диаметр) кольматанта, м.

На фиг. 1 изображено устройство, продольное сечение; на фиг. 2 расчетная схема, принятая для анализа поведения твердой частицы (кольматанта) в потоке жидкого агента бурового раствора в рабочей полости устройства.

Устройство включает полый корпус 1, установленный между колонной труб и буровым долотом, диффузор 2, закрепленный с возможностью осевого перемещения по резьбе на внутренней стенке входного участка корпуса, плавно-сужающаяся полость диффузора переходит в своей концевой части в крутой конфузор, резко увеличивающий проходное сечение устройства. На некотором расстоянии от выходной кромки диффузора (места, где проходное сечение достигает своего минимального значения) при помощи радиально расположенных лопаток 3, 4 концентрично внутренним стенкам корпуса установлена полая ловушка 5; при этом лопатки 3 (количество которых равно количеству кольматирующих сопел 6) выполнены пустотелыми и соединяют проточными каналами полость ловушки с боковыми отверстиями, в которых установлены кольматирующие сопла 6, остальные лопатки 4 могут быть выполнены сплошными для жесткости.

Работает устройство следующим образом. Водная суспензия глины и других твердых частиц, в частности, буровой раствор, закачиваемый через колонну труб, поступает в полый корпус 1 устройства и, проходя через суживающуюся полость диффузора 2, разгоняется.

Увлеченные жидким агентом бурового раствора разгоняются в суживающейся полости диффузора и твердые частицы (в частности кольматант) согласно дифференци- альному уравнению
m F (1) где m d3к

масса частицы;
F C_x (U-V)² разгоняющая частицу сила лобового сопротивления;
γ_к, γ_ж удельная веса кольматанта (частицы) и жидкого агента соответственно;
U скорость потока жидкого агента;
Q расход бурового раствора;
S₁ площадь поперечного сечения полости диффузора;
V скорость (текущая) кольматанта;
g 9,81 м/с² ускорение свободного падения;
С_х ˙ 0,45 (для обтекания приближенно сферических тел) коэффициент сопротивления;
t время.

Подставляя данные величины и преобразуя формулу (1), получим
a(U-V)² (2) где a ≈ 0,33
Решая уравнения (2), последовательно получим
a dt;
at;
U-V и, наконец,
V U м/с (3) Здесь V_o= м/с скорость кольматанта на входе в устройство;
Q, м³/с расход бурового раствора;
D_к, м диаметр внутренней стенки полого корпуса.

Т. к. площадь поперечного сечения полости диффузора плавно уменьшается и скорость жидкого агента постоянно меняется, а при взятии интеграла она считается постоянной, то участок разгона необходимо рассчитывать численным методом, для чего:
разбивают всю длину диффузора на несколько участков;
на каждом участке определяют среднюю скорость потока жидкого агента U_ср и считает ее постоянной на данном участке;
определяют конечную скорость кольматанта на этом участке по формуле:
V U_ср- м/с где t (Δl длина участка);
V₀ начальная скорость кольматанта на данном участке принимается равной конечной скорости кольматанта на предыдущем участке.

В конце разгона (на выходе из диффузора) кольматант приобретает некоторую скорость V_к, направленную вдоль лини тока жидкого агента (в среднем это направление совпадает с осью симметрии устройства).

Выйдя из диффузора, поток жидкости резко меняет свое направление, обтекая ловушку, направляясь далее к буровому долоту. Кольматант, как частица, имеющая более высокую плотность и соответствующую силу инерции, движется по некоторой кривой, определяемой величиной и направлением скорости V_к, а также величиной и направлением скорости потока жидкого агента после его поворота перед ловушкой. Движение кольматанта на этом участке сложное и состоит из относительного движения вдоль линии направления скорости V_к (координатная ось Х на фиг. 2) и переносного движения вдоль линии скорости потока и жидкого агента (координатная ось Y).

Движение кольматанта вдоль линии вектора V_к описывается уравнением
m F₁, (4) где F₁= C_x V² в данном случае сила лобового сопротивления тормозящая сила. После преобразований -aV²;
-adt
-a dt И, наконец
V м/с (5) т.к. V то интегрируя повторно, получим
dx Откуда
S ln(1+V_кat), м (6)
В переносном движении кольматант сносится потоком жидкого агента и уравнение его движения имеет вид
m F₂, (7) где F₂= C_xU сила лобового сопротивления в данном случае активная разгоняющая частицу сила;
скорость частицы вдоль оси Y;
U скорость потока жидкого агента;
πD_{вых.дифф.}S боковая поверхность цилиндра, по которой поток, растекаясь, огибает ловушку.

Первый интеграл уравнения (7) (см. вывод формулы (3), только = 0
U м/с (8)
Интегрируя далее, находим
dyU dt
dy U dt U dt-
U dt
откуда
h ut ln(1+Uat) м (9)
Т. к. относительное и переносное движения кольматанта протекают одновременно, то величина at в обоих движениях одна и та же.

Из формулы (5)
at
Подставляем это выражение в формулы (6) и (9)
S ln1 + V_к (10)
h ln1 + U (11)
Из формулы (10)
ln1 + V_к AS или

Подставляя последнее выражение в (11), получим
h ln1 + U или, обозначая = относительная скорость кольматанта, окончательно получим
h ln1 + (12)
Т.в. диаметры входного сечения полости ловушки и выходного отверстия диффузора связаны соотношением
2h + D_{вых.дифф} D_вх.лов, то для того, чтобы уловить ловушкой все частицы, начиная с частиц с условным диаметром d_к и выше, при выбранном расстоянии S необходимо диаметр полости ловушки на ее входе выбирать по формуле:
D_вх.лов≥ D_{вых.дифф}+ 2 ln1 + (13)
Перемещением диффузора вдоль оси устройств можно корректировать нижний предел поперечного размера улавливаемого кольматанта.

Кольматант, уловленный ловушкой вместе с частью жидкого агента через внутренние полости пустотелых лопаток 3 (см. фиг. 1) поступает к кольматирующим соплам 6, где, разгоняясь, направляется на стенки скважины, чему способствует и то обстоятельство, что устройство вместе с колонной труб и буровым долотом вращается, а при вращении лопаток на кольматант действует центробежная сила (как в центробежных нагнетательных насосах), способствующая выбросу кольматанта на стенки скважины.

Технико-экономическая эффективность при перемещении предлагаемого устройства при бурении скважин определяется следующими факторами:
улавливание основной части находящегося в буровом растворе кольматанта (особенно крупнодисперсной фракции) и последующий вывод его к стенкам скважины, во-первых, повышает эффективность кольматации стенок скважины (особенно высокопроницаемых пластов, а во-вторых, т.к. на рабочие органы долота поступает меньше абразивных частиц, то тем самым увеличиваются скорость проходки и ресурс долота;
т. к. при вращении устройства кольматант во внутренней полости лопаток приобретает центробежную силу и соответ- ствующее этой силе ускорение, то скорость выброса кольматанта из кольматирующих сопел выше, чем у прототипа, следовательно, кольматант глубже внедряется в стенки скважины и тем самым увеличивается эффективность кольматации.

Использование: для гидродинамической обработки стенок скважин. Сущность изобретения: устройство содержит полый корпус 1, установленный между колонной труб и буровым долотом, диффузор 2, закрепленный на внутренней стенке входного участка корпуса с возможностью регулировочного осевого перемещения. Плавно сужающаяся полость диффузора в своей концевой части переходит в крутой конфузор, резко увеличивающий проходное сечение устройства. На некотором расстоянии от минимального проходного сечения диффузора при помощи радиально расположенных лопаток 3, 4 концентрично внутренним стенкам корпуса установлена полая ловушка 5. Лопасти 3 выполнены пустотелыми и сообщают проточными каналами полость ловушки с кольматирующими соплами 6. Буровой раствор поступает в полый корпус 1, проходя через полость диффузора 2 разгоняется, разгоняются и находящиеся в нем частицы кольматанта. Уловленный ловушкой кольматант подается в кольматирующие сопла 6. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОЛЬМАТАЦИИ СТЕНОК СКВАЖИНЫ, включающее полый корпус, радиально расположенные в нем лопатки и боковые отверстия, выполненные в стенке корпуса с установленными в них кольматирующими соплами, отличающееся тем, что оно снабжено диффузором, установленным на входе в полый корпус, с плавно уменьшающимся по ходу движения бурового раствора проходным сечением и резким его увеличением в конце, полой ловушкой, установленной на расчетном расстоянии от плоскости с наименьшим проходным сечением диффузора по оси симметрии корпуса и жестко закрепленной лопатками к внутренней стенке корпуса, при этом лопатки выполнены пустотелыми и сообщают полость ловушки с кольматирующими соплами. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диаметр входного сечения полости ловушки связан с диаметром минимального проходного сечения диффузора соотношением

где d_вх.лов диаметр входного сечения полости ловушки, м;
D_{вых.дифф} диаметр минимального проходного сечения диффузора, м;
s расстояние от плоскости наименьшего проходного сечения диффузора до входной кромки полости ловушки, м;

относительная скорость кольматанта;
V_к скорость кольматанта на выходе из самой узкой части диффузора, м/с;

скорость потока жидкого агента бурового раствора после поворота потока перед ловушкой, м/с;
Q расход бурового раствора, м³/с;
D_к поперечный размер (условный диаметр) кольматанта, м;
γ_ж, γ_к удельные веса жидкого агента и кольматанта, соответственно, кг/м³. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что диффузор установлен в корпусе с возможностью регулировочного осевого перемещения.