УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ СТВОЛА НАКЛОННОЙ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ ЗАБОЙНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 1995 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к наклонному бурению забойными двигателями, в частности к неориентируемым компоновкам низа бурильной колонны для стабилизации прямолинейно-наклонного участка, а также устройствам, предупреждающим прихваты и поглощения с укреплением стенок скважины.

Известно устройство для стабилизации ствола наклонной скважины для бурения забойным двигателем, включающее последовательно установленные над долотом переводник с наклонными вверх насадками и забойный двигатель [1] Недостатком известного устройства является то, что оно недостаточно эффективно позволяет кольматировать ствол скважины высоконапорными струями жидкости, поскольку струйные насадки способствуют размыву стенок скважины, сложенных мягкими и средними породами, в результате диаметр ствола скважины увеличивается. При увеличении диаметра ствола скважины несколько раз удаляется и ранее созданный кольматационный экран. Многократная, хотя и непродолжительная фильтрация в пласт, сопровождающая направленную кольматацию, приведет к разупрочнению стенок скважины, сложенных с глинистым цементирующим материалом. Кроме того, компоновка низа бурильной колонны (КНБК) не позволяет надежно стабилизировать ствол скважины.

Известно также устройство для стабилизации ствола наклонной скважины для бурения забойным двигателем, включающее последовательно установленные над долотом калибратор, два маховика, второй калибратор, забойный двигатель и центратор [2] Недостатком этого устройства является невысокая эффективность стабилизации ствола скважины, связанная с недостаточным количеством устанавливаемых опорно-центрирующих элементов, ввиду опасности создания прихватоопасной ситуации в осложненном стволе скважины, а механизмы, позволяющие в процессе бурения одновременно не только калибровать, но и укреплять стенки скважины, не предусмотрены.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для стабилизации ствола наклонной скважины для бурения забойным двигателем снабжено наддолотным переводником, последовательно установленными над вторым калибратором вторым маховиком и третьим калибратором и размещенным на корпусе забойного двигателя, дополнительным центратором, причем наддолотный переводник имеет расположенную в верх под углом к оси переводника насадку, выполненную в виде абразивостойкого стакана с тангенциальными входными отверстиями около донной части, встроенного в зафиксированный в стенке наддолотного переводника металлический чехол с боковыми отверстиями, совмещенными с тангенциальными отверстиями стакана для гидравлической связи внутреннего пространства переводника с наружным, а в диагонально противоположных лопастях третьего калибратора выполнены соосно сквозные каналы, с горизонтально установленной в них твердосплавной насадкой в виде закрепленной в лопастях калибратора трубки с тангенциальным щелевым отверстием в средней части и диффузорами по концам.

Кроме того, узел крепления трубки выполнен в виде прижимных гаек с конусными выточками, совмещенными с диффузором трубки, прижимные гайки заглублены в лопастях калибратора.

Технический результат выражается в повышении надежности стабилизации ствола скважины путем установки дополнительного количества опорно-центрирующих устройств, что в свою очередь стало возможным при повышении качества ствола скважины путем предварительной волновой кольматации и докольматации слогающих стенок.

На фиг. 1 показано устройство, общий вид с местными разрезами; на фиг.2 сечение по А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение по Б-Б на фиг.1.

Устройство для стабилизации ствола наклонной скважины для бурения забойным двигателем состоит из долота 1, над которым установлен наддолотной переводник 2 с насадкой, выполненной в виде абразивостойкого стакана 3 с тангенциальными входными отверстиями 4 около донной части 5, причем абразивостойкий стакан 3 концентрично встроен в стальной чехол 6 с боковыми отверстиями 7, совмещенными с тангенциальными отверстиями 4 стакана 3. В свою очередь стальной чехол 6 зафиксирован в стенке переводника 2, например посредством резьбы, таким образом, чтобы осевая линия абразивостойкого стакана 3 была направлена в верх под углом к осевой линии переводника 2. В результате насадка 3-7 гидравлически сообщает внутреннее пространство переводника 2 с наружным. Далее установлен полноразмерный калибратор 8, маховик 9, второй калибратор 8, второй маховик 9 и третий калибратор 10. В двух диагонально противоположных лопастях 11 третьего калибратора 10 несколько выше середины соосно выполнены сквозные каналы 12 под горизонтально установленную в последних твердосплавную насадку в виде трубки 13 с тангенциальным щелевым отверстием 14 в средней части и диффузорами 15 по концам. В третьем калибраторе 10 твердосплавная трубка 13 зафиксирована заглубленными в лопастях 11 прижимными гайками 16 с конусными выточками 17, совмещенными с диффузорами 15 трубки 13. Верхний калибратор 10 соединен с валом 18 шпинделя секционного забойного двигателя 10. На шпинделе 19 или между шпинделем 19 и нижней секцией турбобура 20 установлен центратор 21. Кроме того, между секциями забойного двигателя 20 дополнительно установлен межсекционный центратор 22. Далее к забойному двигателю присоединяются утяжеленные бурильные трубы 23, а затем бурильные трубы (не показаны).

Устройство для стабилизации ствола наклонной скважины для бурения забойным двигателем работает следующим образом.

В процессе сборки компоновки низа бурильной колонны диаметры опорно-центрирующих элементов и расстояния между ними регулируют таким образом, чтобы расчетная величина отклоняющей силы на долоте была равна нулю. Диаметры калибраторов 8, 10 уменьшают последовательно от нижнего к верхнему, а диаметры центраторов 21, 22 выбирают в зависимости от величины отклоняющей силы на долоте 1 и свойств разбуриваемых пород, которые обычно находятся в пределах соотношений:
d_к (1,000.0,972)D_д;
d_ц (0,991.0,972)D_д;
d_м (0,750.0,850)D_д; l_м 2.4 м где D_д, d_к, d_ц, d_м соответственно диаметры долота, калибратора, центратора и маховика;
l_м длина маховика.

В процессе бурения часть бурового раствора поступает к гидромониторным насадкам долота 1 для очистки забоя от выбуренной породы шлама, а часть бурового раствора в результате некоторого перепада давления над долотом 1 поступает по тангенциальным отверстиям 7, 4 внутрь стакана 3, где приобретает вращательно-поступательное движение, что способствует возникновению в осевой зоне внутренней полости стакана 3 области разряжения, заполненной парогазовой фазой. Вращательное движение неоднородной среды становится неустойчивым. На выходе из стакана 3 образуется режим течения с периодической срывной кавитацией, где происходит схлопывание кавитационных полостей и генерирование пульсаций давления ультразвуковой частоты. В кавитационном поле протекает интенсивное диспергирование частиц бурового раствора. Выходящий из насадки 3-7 пульсирующий поток жидкости частично смешиваясь с восходящим потоком бурового раствора с забоя, включающим частицы выбуренной породы, кольматирует поровое пространство околоскважинной зоны по всему кольцевому объему при вращении наддолотного переводника 2 широким спектром частиц от коллоидных размеров до величины 10 мм и более шлама. При создаваемом насадкой 3-7 волновом поле и наличии широкого фракционного состава частиц бурового раствора существенно ускорится процесс предварительной кольматации с образованием каркаса кольматирующей среды из максимально приемлемых для размеров пор частиц. Из-за эжектирующего эффекта направленный в верх насадки 3-7 дополнительно улучшится очистка забоя от шлама. В процессе углубления ствол скважины калибруется калибраторами 8, причем при гашении маховиками 9 поперечных колебаний долота 1 и нормализации работы вала 18 забойного двигателя 20. При этом, разумеется, срезается часть стенки скважины с закольматированным участком, что способствует незначительному возобновлению фильтрации в пласт с образованием глинистой корки. После откалибровки ствола скважины лопасти калибраторов 8 (особенно второго) способствуют затирке неровностей и поровых каналов стенок скважины, производя тем самым механическую кольматацию. Нижней частью третьего калибратора 10 удаляют глинистую корку, тем самым подготавливают стенку скважины к докольматации. Часть скоростного потока бурового раствора в колонном пространстве поступает по тангенциальному щелевому отверстию 14 внутрь горизонтальной трубки 13, где по закону сохранения количества движения получает ускоренное вращательное движение и разделяется на два потока в разные стороны, в осевой зоне которых также образуются разряженные зоны с кавитационными полостями и кавернами. При переходе в диффузоры 15 (зоны повышенного давления) пузырьки схлопываются, вызывая пульсации давления ультразвуковой частоты. Одновременно воздействие на частицы бурового раствора кавитационного и ультразвукового полей способствует их интенсивной диспергации до коллоидных размеров. Так как выходы раствора из трубки 13 максимально приближены к стенкам скважины, практически не происходит смешения с буровым раствором более широкого фракционного состава, а пульсирующий поток защищен лопастями 11 и не сбивается восходящим потоком с забоя и струями в результате утечек из ниппеля (шпинделя 19) забойного двигателя 20. Таким образом, вся мощь волнового поля перпендикулярно направленная к стенкам скважины участвует в докольматации каркаса кольматирующей среды околоскважинной зоны частицами минимальных размеров, что совместно с разными направлениями (по часовой и против часовой) вращения потоков на выходах горизонтальной насадки 13-15 позволит всесторонне докольматировать поровое пространство и практически полностью снизить проницаемость. Исключение дальнейшего проникновения фильтрата в пласт и забивка в поры коллектора глинистых частиц бурового раствора позволит не только сохранить прочность и устойчивость стенок скважины, но порой даже и повысить. В тех случаях, когда все же будет происходить процесс кавернообразования как нижняя 3-7 в наддолотном переводнике 2, так и верхняя 13-15 в третьем калибраторе 10 насадки будут высыпать из каверн накопившийся шлам и обвалившиеся стенки при минимальном (в сравнении со струйными насадками) эрозионным размывом.

После подъема долота 1 для его замены на устье промеряют размеры калибраторов 8 (обычно уменьшающихся в диаметре) и в соответствии с произведенными расчетами для дальнейшего углубления оставляют или производят замену на другие одновременно с возможной сменой маховиков 9 на другие, имеющие необходимую длину, что не представляет сложность и занимает значительно меньше времени, чем, например, на смену центраторов между секциями забойного двигателя 20.

Предлагаемое устройство позволяет оперативно изменять диаметры калибраторов и длины маховиков между ними на валу забойного двигателя для решения задач по безориентированному управлению тpаектории ствола скважины исключая осложнения и аварийную ситуацию путем надежной калибровки стенок скважины тремя калибраторами и кольматации околоскважинной зоны ультразвуковым полем. Таким образом, решается задача проводки скважины по наиболее экономичному трехинтервальному профилю при бурении забойным двигателем с многоцентраторной компоновкой.

Использование: при бурении наклонных скважин преимущественно по трехинтервальному профилю, поскольку обеспечивает высокую степень стабилизации прямолинейно-наклонного участка наряду с понижением вероятности возникновения осложнений с многоцентраторной компоновкой низа бурильной колонны. Сущность изобретения: устройство состоит из шарошечного долота, наддолотного переводника, трех калибраторов с двумя маховиками между ними, шпинделя секционного турбобура и двух центраторов на корпусах последних. Наддолотной переводник снабжен направленной вверх кольматирующей насадкой в виде абразивостойкого стакана с тангенциальными входными отверстиями около донной части, встроенного в стальной чехол. В диагонально противоположных лопастях третьего калибратора выполнены соосно сквозные каналы под горизонтальную твердосплавную трубку с тангенциальным щелевым отверстием в средней части и диффузорами по концам, причем зафиксированной заглубленными в лопасти прижимными гайками с конусными выточками, являющимися продолжением диффузоров. 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ СТВОЛА НАКЛОННОЙ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ ЗАБОЙНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, включающее последовательно установленные над долотом калибратор, два маховика, второй калибратор, забойный двигатель и центратор, отличающееся тем, что оно снабжено наддолотным переводником, последовательно установленными над вторым калибратором вторым маховиком и третьим калибратором и размещенным на корпусе забойного двигателя дополнительным центратором, причем наддолотной переводник имеет расположенную вверх под углом к оси переводника насадку, выполненную в виде абразивостойкого стакана с тангенциальными входными отверстиями около донной части, встроенного в зафиксированный в стенке наддолотного переводника металлический чехол с боковыми отверстиями, совмещенными с тангенциальными отверстиями стакана для гидравлической связи внутреннего пространства переводника с наружным, а в диагонально противоположных лопастях третьего калибратора выполнены соосно сквозные каналы с горизонтально установленной в них твердосплавной насадкой в виде закрепленной в лопастях калибратора трубки с тангенциальным щелевым отверстием в средней части и диффузорами по концам. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел крепления трубки выполнен в виде прижимных гаек с конусными выточками, совмещенными с диффузором трубки, а прижимные гайки заглублены в лопастях калибратора.