ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАНИЙ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ТРУБ Российский патент 1995 года по МПК E21B31/113 

Изобретение относится к буровой технике, в частности для ликвидации или предотвращения аварий, связанных с прихватами.

Известен вибратор для ликвидации прихватов колонны труб в скважине, включающий расположенные в корпусе вал с приводом, вал снабжен дисбалансом на одном конце, двумя группами бойков, расположенных на расстоянии друг от друга, и опорой между группами бойков (авт.свид СССР N 1492019, кл. Е 21 В 31/107, опубл. 7.07.89).

Вращающийся вал под влиянием дисбаланса несимметричен с корпусом относительно опоры, вследствие чего противолежащими в разных группах бойками наносит удары по стенке корпуса с разных сторон от опоры.

Недостатками этого вибратора является то, что при гидравлическом приводе для эффективной работы ввиду низкого КПД устройства требуется значительной мощности подающий гидроприводной насос, электрический привод ненадежен.

Известно устройство для ликвидации прихвата бурильной колонны, содержащее корпус с наковальней на внутренней поверхности, ударник, установленный в направляющих и подпружиненный силовой пружиной, нагруженный встречными пружинами относительно корпуса клапан, взаимодействующий с удаpником, камеру запитки и промывочный канал через элементы устройства, затвор клапана сопрягается с его штоком посредством шарового шарнира, ударник выполнен с утонением в средней части и смонтирован в направляющих, установленных в корпусе, с возможностью углового перемещения относительно оси устройства (заявка N 4916976/03 от 5.03.91. Е21 В 31/113).

Нецентральный удар по наковальне обуславливает поворот ударника с передачей боковой поверхностью (ударника) кинетической энергии бурильной трубе, что вызывает волны поперечной деформации изгиба колонны бурильных труб.

Недостатками этой конструкции является то, что относительно сложна конструкция, предназначенная для ликвидации аварии, но не для предотвращения ее, после ликвидации аварии требуются спуско-подъемные операции для извлечения сбросового запоpного органа (пробки).

Наиболее близким по технической сущности является генератор колебаний бурильной колонны труб, включающий корпус и расположенные в нем турбину на полом валу, смонтированном в опорах, перегородку корпуса над турбиной с подводящими каналами в виде сопел и седло под сбросовый запорный орган.

Недостатками этой конструкции является то, что генератор служит для ликвидации одной аварии, после чего требуется подъем и демонтаж для продолжения бурения скважины; мощность генератора определяется энергией подводящего потока и КПД генератора; фактическая мощность невелика ввиду невозможности придания большой массы дисбалансу ротора; рабочая частота колебаний генератора находится в узком диапазоне.

Цель изобретения увеличение эффективности воздействия на зону прихвата за счет расширения видов процессов, возбуждаемых в грунте, и их интенсификации.

Направление сформированного соплом потока жидкости непосредственно на лопатки турбины увеличивает энергоотдачу потока, при этом количество оборотов турбины ограничивается не дисбалансом на валу (турбина уравновешена), а трением между элементами конструкции, что позволяет турбине развить большее количество оборотов в единицу времени и обуславливает больший запас кинетической энергии.

Возбуждение колебаний корпуса генератора обусловлено переводом запорного органа в полость вала турбины для создания эксцентриситета, т.е. в гнездо в полости вала. При этом энергия вращения тела изменяется от максимальной величины, так как скорость вращения уменьшается из-за появившейся нагрузки.

Частота вибрационного воздействия на поверхность контакта металла труб с грунтом постепенно уменьшается, при этом меняются процессы на границе колонны труб с грунтом.

На чертеже изображен предлагаемый генератор колебаний, продольный разрез.

Генератор колебаний бурильной колонны 1 содержит корпус 2 и расположенные в нем турбину 3 на полом валу 4, смонтированном в опорах 5 и 6, перегородку 7 над турбиной 3. Перегородка снабжена седлом 8 под сбросовый запорный орган 9. Седло выполнено упругим, т.е. с возможностью пропустить запорный орган, если на последний приложен импульс силы, например в виде воздействия еще одного сбросового запорного органа. В этой же перегородке 7 выполнены подводящие каналы 10, каждый в виде сопла, причем направлены они к лопаткам турбины. Вал 4 выполнен с полостью, ограниченной цилиндрической поверхностью, радиус которой увеличивается к середине вала, где выполнены, например, два гнезда для сбросового клапана, при этом не нарушающие уравновешенности вала. В стенке каждого гнезда просверлено отверстие 12. На выходе из генератора установлена ловушка 13 для сбросовых запорных органов. Седло 8 выполнено соосно с валом 4. Опора 6 выполнена с возможностью перемещения относительно корпуса 2. Генератор включен в компоновку бурильной колонны. В процессе бурения скважины промывочная жидкость к бурильному инструменту проходит через седло 8 и вал 4. При возникновении прихвата в бурильную колонну бросается запорный орган 9, который попадает в седло и перекрывает поток жидкости через вал турбины 3. Жидкость в полном объеме пойдет через каналы 10 к лопаткам турбины 3. Ввиду того, что турбина не имеет дисбаланса, т.е. уравновешена, она развивает максимум оборотов. После этого на сбросовый запорный орган, находящийся в седле 8, действуют импульсом силы, например сбрасывают второй запорный орган. Под действием импульса силы запорный орган 9 выбивается из седла 8 и попадает во вращающийся вал 4, где на него одновременно действуют три силы: гравитационная, давления жидкости и центробежная. Под действием первых двух он перемещается вниз, а под действием второй воздействует на стенку вала 4. При совмещении запорного органа 9 с гнездом он под действием центробежной силы удерживается в ней и перекрывает отверстие 12. Это создает разность давлений на поверхности запорного органа, обеспечивающей надежное удержание его в гнезде.

Запорный орган в гнезде смещен относительно оси вала (а значит и оси турбины), вследствие чего возбуждает вибрацию. Сначала высокочастотную, ввиду очень больших оборотов турбины. Затем частота уменьшается так как под действием возникшей нагрузки (от запорного органа) турбина уменьшает обороты. В результате воздействие на зону прихвата осуществляется в широком диапазоне частот и соответственно амплитуд. Воздействие с высокой частотой способствует, например, выделению жидкой фазы на поверхность контакта бурильной колонны с грунтом, что снижает силу трения и улучшает процесс извлечения колонны труб. Воздействие с низкой частотой обеспечивает более интенсивное механическое воздействие на грунт, изменяя механические условия контакта его с колонной, также способствует процессу ее извлечения.

Прихват колонны труб в скважине обусловлен следующим. После соприкосновения поверхности труб с фильтрационной коркой на стенке скважины возникают силы, препятствующие страгиванию колонны труб. Прихват является частным случаем статического трения между металлом труб и частицами твердой фазы фильтрационной корки. Большая доля сил взаимодействия между указанными парами приходится на механические силы трения, которые являются следствием кривизны скважины, перепада давления в системе скважина-пласт, наличие на стенках проницаемой фильтрационный корки, меньшая на адгезионные. Рост адгезионных сил завершается в течение 0,5 ч, механических в течение нескольких часов.

Широкий диапазон частот воздействия на грунт обуславливает большой спектр процессов в грунте: от выделения жидкости на поверхности металла труб с грунтом до грубого механического снятия сил статического трения, при этом в результате интенсивного поперечного встряхивания значительно уменьшается перепад давления с той и другой плоскости контакта труб с грунтом, а вследствие притока жидкости в контактную зону корки снижается напряжение по площади контакта колонны труб со стенкой скважины. Все это ведет к снижению силы страгивания бурильной колонны.

Генератор колебаний бурильной колонны труб относится к буровой технике, в частности для ликвидации или предотвращения аварий, связанных с прихватами. Для увеличения эффективности воздействия на зону прихвата на внутренней поверхности вала, установленного в корпусе, выполнены встречные конические проточки. В месте их сопряжения выполнены седла под сбросовый клапан с отверстиями для гидравлической связи осевого канала вала с кольцевой полостью между корпусом и валом. Сбросовый клапан выполнен с возможностью прохода через седло перегородки, и его диаметр меньше диаметра перегородки и осевого канала вала. Подводящие каналы выполнены в виде сопел. Генератор снабжен ловушкой под сбросовый клапан, установленной под опорой вала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАНИЙ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ТРУБ, включающий связанный с колонной труб полый корпус, установленный в корпусе вал с осевым каналом, образующий с корпусом кольцевую полость, установленную на валу турбину, размещенную в корпусе над турбиной перегородку с каналом, соосным с осевым каналом вала, и седлом под сбросовый клапан, образующую с корпусом подводящие каналы, сообщающие полость колонны труб с турбиной и опору вала с осевым каналом и окнами для сообщения пространства корпуса под опорой вала с кольцевой полостью между валом и корпусом, отличающийся тем, что на внутренней поверхности вала выполнены встречные конические проточки, а в месте их сопряжения выполнены седла под сбросовый клапан с отверстиями для гидравлической связи осевого канала вала с кольцевой полостью между корпусом и валом, сбросовый клапан выполнен с возможностью прохода через седло перегородки, его диаметр меньше диаметра канала перегородки и осевого канала вала, при этом подводящие каналы выполнены в виде сопл. 2. Генератор колебаний по п.1, отличающийся тем, что он снабжен ловушкой под сбросовый клапан, установленной под опорой вала.