УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОЛЬМАТИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОНИЦАЕМЫХ ПЛАСТОВ Российский патент 1996 года по МПК E21B21/00 E21B33/138 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам для обработки стенок скважины в процессе бурения кавернозно-трещиноватых пластов.

Известно устройство для кольматации стенок скважины, содержащее корпус с пазами, закрепленными в них рабочими элементами в виде сегментов, установленных в корпусе с возможностью поворота каждого относительно своей оси, втулку, переводники, эластичный патрубок, размещенный между втулкой и рабочими элементами [1]
Недостатком указанного устройства является невозможность осуществления процесса кольматирования высокопроницаемых пластов в связи с тем, что на стенках скважины отсутствует глинистая корка, так как размер пустот кавернозно-трещиноватых пород существенно превышает размер частиц твердой фазы бурового раствора (глины, утяжелителя, песка). Устройство применимо для работы в песчаных пластах, т.е. в тех случаях, когда образуется толстый слой глинистой корки. Кроме того, подвижные твердые частицы бурового раствора не могут быть захвачены сегментами указанной конструкции, а устройство имеет способность заиливания сегментов в зазоры, отчего становится прихватоопасным.

В качестве прототипа взято устройство для кольматирования проницаемых пластов, содержащее полый корпус, присоединяемый к бурильной колонне над долотом, и изолирующий узел, состоящий из попарно установленных изолирующей и очищающей плашек, между которыми установлен гидромониторный насадок, причем расстояние между плашками равно
h d_o+0,3l, где d_o диаметр выходного отверстия насадка;
l расстояние от насадка до стенки скважины, а ширина изолирующей плашки больше расстояния между плашками [2] Причем, последняя, будучи прижатой упругими силами амортизаторов к стенке скважины, препятствует выносу твердой фазы из пласта под действием отрицательного перепада давления, возникающего после окончания действия гидромониторной струи. Проникший при первом воздействии гидромониторной струи буровой раствор снижает эффективное сечение фильтрации и проницаемость пласта.

Недостатком указанного устройства является неэффективное кольматирование высокопроницаемых пластов, обусловленное незначительной прочностью кольматационного экрана, определяемой только перепадом давления в скважине и пласте. Однако этот перепад давлений провоцирует дополнительные поглощения бурового раствора и приводит к его значительным потерям за счет избыточного давления в изолирующем узле и высокого гидравлического сопротивления циркуляции. Причем, гидромониторная струя размывает стенки скважины с образованием каверн. Кроме того, выступающие плашки образуют над устройством уступ, вызывающий скопление осевшего шлама после остановки буровых насосов, и как следствие, прихват инструмента.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения сводится к следующему: повышается эффективность работы устройства за счет уменьшения энергозатрат и потерь жидкости, увеличения прочности кольматационного экрана и снижения вероятности прихвата устройства осевым шламом.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, содержащего полый корпус, присоединяемый к бурильной колонне над долотом, и изолирующий узел с профильными элементами, установленный на корпусе, у которого профильные элементы состоят из лопастей, выполненных в виде сегментов усеченного конуса, плоскость поперечного сечения которого образует с осью вращения устройства угол ψ₁ определяемый по формуле
ψ₁= 90^о Φ ΔΦ (1) где Φ угол, образованный вектором относительной скорости движения частицы и осью вращения устройства, определяемый из соотношения
Φ arctg (2) где Λ_е коэффициент скольжения жидкости относительно долота;
ω_д- угловая скорость вращения долота;
D_к диаметр устройства по лопастям;
V_t поступательная скорость частицы с учетом ее осаждения в потоке;
ΔΦ- угол, образованный вектором относительной скорости движения частицы и плоскостью осевого сечения лопасти, определяемый из соотношения
ΔΦ arctg (3) где β угол наклона конусной поверхности к стенке скважины в плоскости угла ψ₁, составляющий ≅ 5^о;
α_п- фактический угол, образованный поверхностями сегментов усеченного конуса со стенкой скважины в поперечном сечении устройства, определяемый по формуле
α_п= arcsin -1 (4) где ρ радиус кривизны лопастей, а со стенкой скважины в плоскости осевого сечения лопасти клиновой зазор с углом α, изменяющимся в диапазоне
0 ≅ tg α < f, (5) где f коэффициент трения твердых частиц по горной породе, определяемый из соотношения
α arcsin (6) причем на корпусе над лопастями расположены треугольные накладки, являющиеся продолжением боковых линий лопастей, а средний угол их наклона к оси вращения ψ₂ определяется следующим неравенством:
ψ₂< arctg f_м, (7) где f_м коэффициент трения спрессованного шлама по металлу.

Предлагаемое устройство для кольматирования высокопроницаемых пластов явным образом не следует из уровня техники. Известны следующие устройства, содержащие конструктивные элементы, затирающие, задавливающие глинистую корку или тампонажную смесь в поры и трещины стенки скважины:
устройство для изоляции зон поглощения промывочной жидкости и водопритоков в скважине, содержащее шарошечное долото, обратный шариковый клапан, отражатель и затирочный элемент, выполненный в виде переходника с эластичными лопастями, радиально укрепленными на нем с целью повышения эффективности изоляционных работ в скважине;
лопастной калибратор, содержащий корпус и жестко закрепленные в корпусе спиральные лопасти, причем рабочая поверхность по крайней мере одной из лопастей скошена в направлении вращения калибратора, а скос выполнен выпуклым по дуге окружности, радиус которой равен радиусу калибратора, с целью расширения функциональных возможностей калибратора за счет его использования для уплотнения и продавливания фильтрационной глинистой корки в пустоты проницаемых пород.

Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 показана схема (общий вид) долота и устройства для кольматирования пластов; на фиг. 2 устройство для кольматирования, вид сверху; на фиг.3 объемная развертка лопасти устройства для кольматирования.

Устройство состоит из полого корпуса 1 с резьбовыми соединениями для присоединения к бурильной колонне и лопастей 2 в виде сегментов усеченного конуса, жестко соединенных с корпусом, армированных твердым материалом с целью увеличения их износостойкости, а также треугольных накладок 3, являющихся продолжением боковых линий лопастей, жестко прикрепленных над ними (см. фиг. 1). Поверхности лопастей с радиусом кривизны ρ образуют с осью вращения угол ψ₁, со стенкой скважины в поперечном сечении устройства угол α_п (см. фиг.2), со стенкой скважины в плоскости осевого сечения 4 лопасти 2 клиновой зазор с углом α (см. фиг.3). Поверхности треугольных накладок с осью вращения образуют угол ψ₂.

На фиг.1, 3 показан угол Φ, образованный вектором относительной скорости движения частицы и осью вращения устройства, ΔΦ угол, образованный вектором относительной скорости движения частицы и плоскостью осевого сечения лопасти, а также угол наклона конусной поверхности к стенке скважины β, составляющий не менее 5^о, что обусловлено возможностью прохождения твердых частиц наибольшего размера в нижней части устройства.

Величины углов выведены с учетом правил прикладной механики.

Предлагаемое устройство работает следующим образом:
осуществляют бурение скважины в трещиноватых и кавернозных известняках.

Расчет конструктивных параметров для кольматирующего устройства с изолирующим узлом, состоящим из 2-х лопастей:
диаметр долота, D_д 29,53 см;
расход бурового раствора, Q 25 л/с;
диаметр переводника (корпуса устройства), d_у 20,3 см;
наружный диаметр устройства по лопастям, D_к 27,5 см;
коэффициент трения шлама по горной породе, f 0,56.

Рассчитывают радиус кривизны лопастей
ρ 11,9 (см)
Угол изменяется в пределах
0 ≅α arctg 0,56 29,2^о
Уклон конусной поверхности β 5^о, принимают по конструктивным соображениям, исходя из обеспечения наибольшего радиального зазора в нижней части кольматирующей лопасти, соизмеримого с частицами шлама. При высоте кольмататора 15,0 см, этот зазор равен 15·tg5^o + 0,1 1,4 (см). Наибольшее фактическое значение угла α_правно
α_п= arcsin -1 8,94^°
Значение угла ΔΦ равно:
ΔΦ arctg 29,1^°
Значение угла α равно
α arcsin 10,2^°
Значение угла α определяют исходя из следующего:
V_t V_в.п-V_oc, где V_в.п поступательная скорость восходящего потока, определяемая из соотношения
v_в.п= где S_к.п площадь поперечного сечения кольцевого пространства скважины за кольмататором;
V_ос скорость осаждения частиц шлама в жидкости, равная
v_ос= 0,1 где ρ_ж плотность промывочной жидкости;
ρ_t- плотность материала твердых частиц, для горной породы 2,2 г/см³;
d_т характерный размер твердых частиц, равный 10 мм.

В случае интенсивного поглощения скважину промывают водой с тем, чтобы уменьшить до минимума перепад давления на пласт и исключить потери жидкости, тогда ρ_ж 1 г/см³.

v_ос= 0,1 0,35, м/с
v_в.п= 125, cм/с
V_t 125 35 90 см/с;
При ω_д= 10 Λ_e= 0,7
Φ arctg 24,6
ψ₁ 90^о-24,6^о-29,1^о 36,3^о,
При f_м 0,4;
ψ₂< arctg 68^°, поскольку 36,3^о < 68^о, то примем значение ψ₂=ψ₁= 36,3^о.

Расчет конструктивных параметров для кольматирующего устройства с изолирующим узлом, состоящим из 3-х лопастей (технические данные, не представленные в этом варианте являются общими для вышеприведенного расчета по двухлопастному варианту).

ρ где где A + + 1 + + 1 4,19
ρ 11,47, см
α_п= arcsin 1 11,5^°
ΔΦ arctg 23,2^°
α 12,5^°
S_к.п= 120 см²; v_в.п= 208, см/с
V_t 208-35 173, см/с;
Φ arctg 13,4^°
ψ₁= 90^о-13,4^о-23,2^о 53,4^о;
ψ₂< arctg = 68^о, поскольку 53,4^о < 68^о, то примем значение ψ₂=ψ₁ 53,4^о.

Устройство устанавливают непосредственно над долотом и опускают на бурильной колонне в интервал, где возможно интенсивное поглощение. Затем создают промывку буровым раствором с одновременным вращением долота и приступают к бурению скважины.

Буровой шлам с забоя или другие твердые частицы, специально вводимые в раствор, потоком последнего выносятся по кольцевому пространству скважины. Благодаря строгой ориентации лопастей изолирующего узла по отношению к вектору относительной скорости движения потока (формулы 1, 2, 3), частицы захватываются лопастями, а жидкая фаза обтекает эти лопасти с трех сторон, продолжая движение. Прижатие и раздавливание твердых частиц возможно при условии неподвижного положения частиц относительно стенки скважины, т.е. когда частицы не могут сдвинуться набегающей лопастью, что описывается неравенством 5. Специальный профиль лопастей относительно стенки скважины (формулы 4, 6) способствуют прижатию твердых частиц к стенке скважины и задавливанию их в пустоты пласта. Если размер частиц превышает проходной размер пустот пласта, они, оставаясь неподвижными, будут раздавлены набегающими профильными элементами до соответствующего размера и задавлены в пустоты. В тех же местах, где не окажется пустот, частицы будут автоматически раздроблены до размера, позволяющего проходить через клиновый зазор, и унесены потоком бурового раствора вверх. Попавшие в пустоты пласта твердые частицы последовательно прессуются радиальным усилием лопастей, величина которого вызывает давление на твердые частицы, равное их пределу прочности на сжатие. Для известняков эта величина 150 МПа.

Для сравнения по прототипу эта величина не может превышать 10 МПа, что обусловлено силой удара струи о стенку скважины.

Устройство не требует для кольматации дополнительного давления промывочной жидкости на пласт, в связи с чем потери последней из-за поглощения в процессе бурения минимальны и могут быть полностью устранены путем снижения плотности промывочной жидкости до величины, эквивалентной градиенту пластового давления.

При подъеме бурильной колонны накладки предлагаемого устройства позволяют скользить по их боковой поверхности осевшему на устройство шламу, что исключает его прессование и уменьшает силы сопротивления движению колонны вверх.

Кроме того, бурение с предлагаемым устройством экономичнее прототипа ≈ на 40-45% что может быть пояснено следующим расчетом:
затраты мощности на бурение с кольматацией предлагаемым устройством (N_o)
N_o N_б.к + N_б.н + N_д + N_к, где N_б.к. затраты мощности на вращение бурильной колонны;
N_б.н для привода бурового насоса;
N_д на вращение долота;
N_к на работу кольматирующего устройства.

Для глубины 2000 м и долота диаметром 295,3 мм
N_o 90 + 150 + 25 + 50 315 кВт, примем наибольшее значение N_к 2 N_д50 кВт, так как исходя из конструктивных особенностей предлагаемого устройства для кольматирования буровой шлам будет в среднем дважды перетираться, причем затраты мощности на дробление шлама равны таковой на его образование.

Затраты мощности на бурение с устройством по прототипу
N_o N_б.к. + N_б.н + N_д.

Для вышеуказанных глубины и диаметра долота составят
N_o 90 + 450 + 25 565 кВт.

Примем N_б.н 450 кВт, что соответствует максимально допустимой мощности буровых насосов и обусловлено необходимостью осуществления гидрокольматации и обеспечением повышенного давления в изолирующем узле.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам для обработки стенок скважины в процессе бурения кавернозно-трещиноватых пластов. Сущность изобретения: устройство состоит из полого корпуса с резьбовыми соединениями для присоединения к бурильной колонне. Лопасти в виде сегментов усеченного конуса жестко присоединены к корпусу. Лопасти армированы твердым материалом с целью увеличения их износостойкости. Треугольные накладки являются продолжением боковых линий лопастей и жестко прикреплены над ними. Плоскость поперечного сечения усеченного конуса лопастей образует с осью вращения устройства угол Ψ₁, определяемый по формуле
Ψ₁=90^°-Ψ-ΔΦ
где Φ угол, образованный вектором относительной скорости движения частицы и осью вращения устройства, определяемый из соотношения, приведенного в тексте описания, Dv - угол, образованный вектором относительной скорости движения частицы и плоскостью осевого сечения лопасти, определяемый из соотношения
ΔΦ=arctg(sinβ/sinα_п), град,
где β - угол наклона конусной поверхности к стенке скважины в плоскости угла Ψ₁, составляющий ≅ 5^o, α_п - - угол, образованный поверхностями сегментов усеченного конуса со стенкой скважины в поперечном сечении устройства, определяемый по формуле,
α_п=arcsin[(D_к/2ρ)-1], град,
где ρ - - радиус кривизны лопастей, м, а со стенкой скважины в плоскости осевого сечения лопасти клиновой зазор с углом α изменяющимся в диапазоне 0 ≅ tgα < f, где f - коэффициент трения твердых частиц по горной породе и определяемым из соотношения
α = arcsin(sinα_n/ cos ΔΦ), град,
Средний угол наклона треугольных накладок к оси вращения определяется следующим неравенством
Ψ₂<arctgf_м
где f_м - коэффициент трения спрессованного шлама по металлу. Устройство устанавливают над долотом и опускают на бурильной колонне в интервал, где возможно интенсивное поглощение. Затем создают промывку буровым раствором с одновременным вращением долота и приступают к бурению скважины. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОЛЬМАТИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОНИЦАЕМЫХ ПЛАСТОВ, содержащее полый корпус, присоединяемый к бурильной колонне над долотом, и изолирующий узел с профильными элементами, жестко установленный на корпусе, отличающееся тем, что профильные элементы изолирующего узла состоят из лопастей, выполненных в виде сегментов усеченного конуса, плоскость поперечного сечения которого образует с осью вращения устройства угол ψ₁, определяемый по формуле
ψ₁= 90^°-Φ-ΔΦ ,
где Φ угол, образованный вектором относительной скорости движения частицы и осью вращения устройства, определяемый из соотношения

где λ_e коэффициент скольжения жидкости относительно долота;
ω_д угловая скорость вращения долота;
D_к диаметр устройства по лопастям, м;
V_t поступательная скорость частицы с учетом ее осаждения в потоке, м/с;
ΔΦ угол, образованный вектором относительной скорости движения частицы и плоскостью осевого сечения лопасти, определяемый из соотношения

где β угол наклона конусной поверхности к стенке скважины в плоскости угла j₁, составляющий ≅ 5^o;
α_п- угол, образованный поверхностями сегментов усеченного конуса со стенкой скважины в поперечном сечении устройства, определяемый по формуле

где ρ радиус кривизны, лопастей, м, а со стенкой скважины в плоскости осевого сечения лопасти клиновой зазор с углом a изменяющимся в диапазоне
0 ≅ tgα < f ,
где f коэффициент трения твердых частиц по горной породе, и определяемым из соотношения

причем на корпусе над лопастями расположены треугольные накладки, являющиеся продолжением боковых линий лопастей, а средний угол их наклона к оси вращения j₂ определяется неравенством
ψ₂< arctg f_м,
где f_м коэффициент трения спрессованного шлама по металлу.