НАДДОЛОТНЫЙ КОЛЬМАТАТОР Российский патент 1996 года по МПК E21B28/00 E21B33/138 E21B21/00 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для строительства нефтяных и газовых скважин, устанавливаемых внизу бурильной колонны и обеспечивающих направленную кольматацию стенок.

Известен наддолотной кольмататор, включающий корпус с продольным каналом и радиальным отверстием, присоединительные резьбы корпуса и гидромониторную насадку, установленную в радиальном отверстии.

Недостатком этого кольмататора является то, что он обеспечивает обработку стенок скважины только непрерывными струями бурового раствора, для эффективной кольматации которыми необходимо создавать высокоскоростные потоки и даже при этом образуется кольматационный слой невысокого качества (большой толщины, проницаемый, расформировывается). Устройство требует больших расходов жидкости и мощности, что не всегда позволяют условия бурения, но тем не менее малоэффективно.

Известен также наддолотной кольмататор, включающий корпус с входным и выходным продольными каналами, присоединительными резьбами в верхней и нижней его частях, гидромониторную насадку, установленную в радиальном отверстии корпуса и гидравлический вибратор с перемещающимся элементом перекрытия гидромониторной насадки.

Этот кольмататор за счет гидравлического вибратора позволяет повысить качество кольматации, однако конструкция высокочастотного вибратора сложна, подвержена поломке, а генерируемые импульсы маломощные. Для усиления же кольматации стенок непрерывными струями устройство предусматривает приближение среза насадки к стенке скважины, что естественно усиливает действие струи, однако это одновременно увеличивает разрушающее воздействие на горную породу, в результате интенсифицируется процесс кавернообразования и расширения ствола скважины с удалением вместе с горной породой и кольматационного слоя, а значит приводит к многократному повторению кольматации и ее сопровождающему проникновению в продуктивные пласты фильтрата бурового раствора, оказывающего негативное влияние на околоскважинную зону продуктивных пластов. Кроме того, при выдвижении насадок и вращении корпуса в процессе бурения возможны соударения насадки с выбуриваемым шламом, что может вызвать усиленный износ и изгибы, а также не исключается поломка при ударе о уступ желоба в процессе разбалансировки.

Сущность изобретения заключается в том, что в корпусе наддолотного кольмататора выполнена цилиндрическая полость, продольная ось которой лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса и в плоскости, перпендикулярной продольной оси гидромониторной насадки, гидравлический вибратор выполнен в виде стержня с кольцевым упором, размещенного в цилиндрической полости вдоль ее продольной оси, и боковых пробок, перекрывающих цилиндрическую полость с двух сторон, при этом перемещающийся элемент перекрытия гидромониторной насадки установлен на средней части стержня с возможностью вращения, по обе стороны от элемента перекрытия гидромониторной насадки в стержне выполнены осевые каналы и тангенциальные входные каналы, стержень закреплен в боковых пробках, продольные каналы выполнены в одной плоскости вертикально и направлены тангенциально цилиндрической полости, причем входной продольный канал пересекает цилиндрическую полость в средней части, выходные продольные каналы по ее концам, тангенциальные входные каналы стержня расположены в плоскости, перпендикулярной осевым каналам стержня, а в боковых пробках выполнены отверстия, совмещенные с осевыми каналами стержня.

Технический результат изобретения повышение надежности работы кольмататора и качества кольматации путем обработки стенок ствола скважины прерывистыми струями одновременно с обработкой акустическим полем.

На фиг. 1 изображен разрез наддолотного кольмататора; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 увеличенное сечение В-В на фиг. 3; на фиг. 5 кольмататор в процессе работы при перекрытии гидромониторной насадки.

Наддолотной кольмататор состоит из корпуса 1 с присоединительными резьбами 2 в нижней части к долоту, а в верхней части к валу забойного двигателя. В корпусе 1 выполнена сквозная цилиндрическая полость 3, продольная ось которой лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса 1. В цилиндрической полости 3 помещен гидравлический вибратор и с двух сторон она перекрыта боковыми пробками 4. Внутри цилиндрической полости 3 вдоль ее продольной оси размещен стержень 5 закрепленный в боковых пробках 4, на котором установлен с возможностью вращения посредством антифрикционной втулки 6 элемент перекрытия (вертушок) 7. Элемент перекрытия 7 зафиксирован в средней части с одной стороны кольцевым упором 8 стержня 5, а с другой стороны буртиком 9, запрессованной на стержень 5 втулки 6. В плоскости, перпендикулярной продольной оси цилиндрической полости 3, по ходу перемещения элемента перекрытия 7 в корпусе 1 выполнено радиальное отверстие 10, в которое установлена твердосплавная насадка с насадкодержателем 12 и уплотнительным кольцом 13. В корпусе 1 также выполнен тангенциальный вертикальный канал 14 в среднюю часть цилиндрической полости 3, а по ее концам в той же плоскости выполнены вертикально тангенциальные выходные каналы 15. В стержне 5 по обе стороны от элемента перекрытия 7 гидромониторной насадки 11 выполнены осевые каналы 16 с тангенциальными входными каналами 17 в них (фиг. 4), расположенными в плоскости, перпендикулярной осевым каналом 16. В свою очередь, в боковых пробках 4 выполнены отверстия 18, совмещенные с выходящими осевыми каналами 16, при этом стержень 5 уплотнен в пробках 4 резиновыми кольцами 19.

Наддолотной кольмататор работает следующим образом.

При циркуляции бурового раствора по тангенциальному каналу 14 он поступает в цилиндрическую полость 3, где приобретает вращательное движение. За счет центробежных сил раствор расслаивается, при этом более крупные частицы дисперсной фазы скапливаются и движутся по большему кругу, а более мелкие коллоидные частицы концентрируются около стержня 5. Вращающийся поток в цилиндрической полости 3 воздействует на элемент 7 гидравлического вибратора в процессе вращения которого происходит периодическое перекрытие гидромониторной насадки 11 и 12. При соударении прерывистой струи, истекающей из насадки 11, о стенку скважины вначале (в период короткой струи) она развивает очень высокое давление и поскольку практически без потерь кинетической энергии достигает стенку скважины, с приближением равное давлению гидроудара, рассчитываемое по классической формуле Жуковского, что примерно на два порядка больше, чем при обычном динамическом давлении прерывистой струи, когда возникает радиальное течение жидкости и давление в точке удара резко падает до значения, соответствующего давлению торможения несжимаемых сред. Период короткой струи очень мал, поэтому при вращении элемента перекрытия 7 от момента открытия гидромониторной насадки 11, 12 до момента ее закрытия, то есть периода прерывистой струи, будут происходить последовательно два, выше описанных, процесса, что положительно влияет на процесс кольматации, так как при бурении происходит постоянное вращение корпуса 1 и его перемещение вниз, то радиальное течение раствора по касательной ствола скважины способствует лучшему отмыву стенок от глинистой корки, тем самым подготовка поверхности, а при последующих оборотах "выстреливание" короткой струи, содержащей наиболее крупные частицы бурового раствора, способствует гидроударной кольматации порового пространства с созданием тонкого, но прочного каркаса кольматационной среды даже и в случае невысоких скоростей истечения раствора из насадки 11 в стабильном режиме. В цилиндрической полости 3 основной поступательный поток раствора приобретает не только вращательное, но и поступательное движение по обе стороны от элемента перекрытия 7, поэтому другая часть вращающегося бурового раствора без потери скорости устремляется в тангенциальные входные каналы 17, где ускоряет свое вращение и одновременно поступательно движется по осевым каналам 16 с образованием по осевой линии зоны разряжения, при этом происходит дальнейшая диспергация глинистых частиц. В неустойчивом осевом вихревом потоке каналов 16 генерируется мощное акустическое поле, а на выходе из каналов 16 /в зоне повышенного давления/ кавитационные полости схлопываются, вызывая пульсации давления ультразвуковой частоты, при воздействии которых на участки стенок скважины с неочищенной глинистой коркой, последняя кавитационными пузырьками разрыхляется, что улучшает последующее ее удаление, как центробежными высокочастотными потоками, так и прерывистой струей, а на участках, обработанных гидроударной кольматацией происходит доуплотнение каркаса кольматационной среды частицами минимальных размеров, что практически полностью снижает ее проницаемость. Неиспользованный кольмататором буровой раствор из цилиндрической полости 3 также без замедления скорости вращения удаляется через выходные тангенциальные каналы 15 к долоту.

Предлагаемый наддолотной кольмататор с двумя генераторами низкочастотных и высокочастотных вибраций имеет простую конструкцию, надежную в работе и при малой энергоемкости способствует эффективной кольматации. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в процессе бурения скважин и подготовке ствола скважины к цементированию, обеспечивает высокое качество кольматации за счет комплексного гидроударного и акустического воздействия на стенки скважины. Сущность изобретения: в корпусе с присоединительными резьбами выполнена перпендикулярно его продольной оси цилиндрическая полость, перекрытая с двух сторон боковыми пробками. Внутри цилиндрической полости размещен гидравлический вибратор в виде стержня с элементом перекрытия гидромониторной насадки. Продольная ось насадки перпендикулярная продольным осям цилиндрической полости и корпуса. Элемент перекрытия гидромониторной насадки установлен в средней части стержня с возможностью вращения. В корпусе выполнены вертикальный входной тангенциальный канал в среднюю часть цилиндрической полости и также вертикальные и в той же плоскости выходные тангенциальные каналы по ее концам. По обе стороны от элемента перекрытия в стержне выполнены осевые каналы, совмещенные с отверстиями в боковых пробках, и входные тангенциальные каналы, расположенные в плоскости, перпендикулярной осевым каналами. 5 ил.

Наддолотный кольмататор, включающий корпус с входным и выходным продольными каналами, присоединительными резьбами в верхней и нижней его частях, гидромониторную насадку, установленную в радиальном отверстии корпуса, и гидравлический вибратор с перемещающимся элементом перекрытия гидромониторной насадки, отличающийся тем, что в корпусе выполнена цилиндрическая полость, продольная ось которой лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса, и в плоскости, перпендикулярной продольной оси гидромониторной насадки, гидравлический вибратор выполнен в виде стержня с кольцевым упором, размещенного в цилиндрической полости вдоль ее продольной оси, и боковых пробок, перекрывающих цилиндрическую полость с двух сторон, при этом перемещающийся элемент перекрытия гидромониторной насадки установлен на средней части стержня с возможностью вращения, по обе стороны от элемента перекрытия гидромониторной насадки в стержне выполнены осевые каналы и тангенциальные входные каналы, стержень закреплен в боковых пробках, продольные каналы выполнены в одной плоскости вертикально и направлены тангенциально цилиндрической полости, причем входной продольный канал пересекает цилиндрическую полость в средней части, выходные продольные каналы по ее концам, тангенциальные входные каналы стержня расположены в плоскости, перпендикулярной осевым каналам стержня, а в боковых пробках выполнены отверстия, совмещенные с осевыми каналами стержня.