ЗАБОЙНЫЙ ПУЛЬСАТОР Российский патент 1997 года по МПК E21B28/00 

Изобретение относится к бурению скважин, точнее к забойным генераторам импульсов.

Известен забойный пульсатор, содержащий корпус, механизм вращения с полым валом и седлом под бросовый клапан и источник колебаний, выполненный в виде двух взаимодействующих дисков, один из которых размещен на валу и имеет эксцентричный выступ, в радиальном канале которого размещен подпружиненный шар, а другой диск размещен концентрично в корпусе и имеет ребристую внутреннюю поверхность для взаимодействия с подпружиненным шаром (1).

Недостатком устройства является низкая надежность в работе, обусловленная сложностью конструкции, необходимость иметь механический привод, что делает его нетехнологичным в эксплуатации. Кроме того, устройство создает преимущественно поперечные силовые импульсы, в связи с чем не может использоваться для усиления нагрузки на долото в пространственно-изогнутой скважине, где нагружению долота весом бурильной колонны препятствуют силы трения бурильной колонны о стенки скважины.

Известен также забойный пульсатор, включающий цилиндрический корпус с присоединительными резьбами, установленный в полости корпуса со стороны выходного конца ограничитель в форме решетки с боковыми отверстиями и центральной площадкой для перекатывания расположенного на ней шара (2).

Основные недостатки известного забойного пульсатора заключаются в следующем.

Вследствие того, что обтекаемый промывочный жидкостью шар катается по центральной площадке, находящейся на одном уровне с расположенными вокруг нее отверстиями, шар может быть присосан потоком жидкости к отверстию, особенно при больших расходах промывочной жидкости и соответственно больших перепадах давления на решетке. Это обстоятельство обуславливает низкую надежность устройства в работе.

Другим существенным недостатком устройства является узкая область применения, заключающаяся лишь в возбуждении поперечных силовых колебаний. Продольных усилий устройство не создает, в связи с чем его нельзя применять в качестве усилителя нагрузки на долото в пространственно-изогнутых скважинах (в частности, наклонных и горизонтальных) за счет преодоления силы трения бурильной колонны о стенки скважины и эффективного нагружения долота бурильной колонной.

Целью изобретения является расширение области применения устройства в качестве усилителя нагрузки на долото при бурении пространственно-изогнутых скважин с обеспечением надежности устройства в работе.

Указанная цель достигается тем, что в известном забойном пульсаторе, включающем полый цилиндрический корпус с присоединительными резьбами, установленный в полости корпуса со стороны выходного конца ограничитель в форме решетки с боковыми отверстиями и центральной площадкой для перекатывания расположенного на ней шара, площадка для перекатывания шара выступает над поверхностью решетки, над шаром с зазором установлен диск с обращенным к шару сферически-вогнутым торцом и боковым отверстием, причем радиус сферической поверхности торца равен диаметры шара, а диаметр бокового отверстия диска равен радиусу шара.

В основе работы устройства лежат следующие физические принципы.

Выступание площадки для перекатывания шара над поверхностью решетки приводит к отдалению шара вверх от боковых отверстий в решетке, расположенных вокруг площадки. Это исключает возможность возникновения существенного перепада давления между поверхностью шара и решеткой и присасывания шаpа к решетке.

Установка над шаром с зазором диска с обращенным к шару сферически-вогнутым торцом и боковым отверстием, во-первых обеспечивает возможность качения шара по боковой стенке корпуса с перекатыванием по центральной площадке решетки. При этом минимальность расстояния шара от сферической поверхности в виде зазора и близость к сопряжению поверхностей шара и обращенного к нему сферического торца диска создают ситуацию почти полного перекрытия бокового отверстия диска при подкатывании под него шара с получением при этом значительной силы гидравлического удара вследствие отсекания потока промывочной жидкости шаром. Возможность же перекатывания шара с подкатыванием под боковое отверстие создается не только за счет вращения корпуса и силы тяжести шара, проявляющейся в горизонтальных и наклонных скважинах, но и за счет автомодельного процесса втягивания шара под боковое отверстие струей промывочной жидкости с перекрытием отверстия, получением гидравлического удара и последующим отбрасыванием шара в сторону из-под бокового отверстия этим же ударом промывочной жидкости.

Произведение давления гидравлического удара на площадь торца диска, обращенного навстречу потоку промывочной жидкости, дает значительную осевую силу, периодически воздействующую на долото (на конец бурильной колонны), что в вертикальных скважинах увеличивает нагрузку на долото дополнительно к разгруженному весу низа бурильной колонны, а в горизонтальных и наклонных скважинах обеспечивает передачу нагрузки на долото за счет преодоления сил трения разгруженной бурильной колонны о стенки скважины.

Выбор радиуса сферической поверхности торца, обращенного к шару, равным диаметру шара, создает оптимальные условия надежной работы пульсатора, обусловленные максимальной приближенностью к сопряженности поверхностей шара и сферической поверхности торца диска при полном исключении возможности заклинивания шара в его крайних положениях относительно оси устройства.

Выбор диаметра бокового отверстия диска равным радиусу шара обеспечивает надежную автомодельность периодического процесса отбрасывания шара из-под бокового отверстия, после его втягивания под это отверстие, обусловленную тем, что отбрасывающая сила в этом случае строго односторонняя и одновременно максимальная по своей величине.

Таким образом достигается цель изобретения.

Забойный пульсатор изображен на прилагаемом чертеже, где на фиг.1 он показан в продольном разрезе, а на фиг.2 и 3 даны, соответственно, поперечные сечения А-А и Б-Б на фиг.1.

Забойный пульсатор содержит полый цилиндрический корпус, состоящий из двух соединенных на резьбе переводников 1 и 2, имеющих по концам присоединительные резьбы: 3 к ниппелю долота и 4 к муфте вала забойного гидравлического двигателя или низа бурильной колонны (при роторном бурении).

В полости корпуса со стороны выходного конца установлен ограничитель в форме решетки 5 с боковыми отверстиями 6 и центральной площадкой 7 для перекатывания шара 8. Центральная площадка выступает над поверхностью решетки.

Над шаром с зазором установлен диск 9 с обращенным к шару сферически-изогнутым торцом 10 и боковым отверстием 11. Радиус сферической поверхности торца 10 равен диаметру шара, а диаметр бокового отверстия 11 равен радиусу шара. Между решеткой 5 и диском 9 установлена распорная втулка 12.

Забойный пульсатор работает следующим образом.

Нагнетаемая в бурильную колонну промывочная жидкость поступает в полость корпуса 2 забойного пульсатора со стороны диска 9, далее через боковое отверстие 11 в полость распорной втулки 12, а затем через отверстие в решетке 5, расположенной со стороны выходного конца корпуса, жидкость поступает в каналы долота.

Так как пульсатор вращается вместе с долотом, то шар 8 под влиянием сил вращения, гравитации и гидродинамического засасывания струей жидкости, вытекающей из отверстия 11, перекатывается по площадке 7 решетки 5 и внутренней стенке втулки 12 с периодическим перекрытием снизу бокового отверстия 11 (положение шара в момент подката под отверстие 11 показано на фиг.1 пунктиром). Перекрытие снизу бокового отверстия 11 сопровождается гидравлическим ударом потока жидкости на верхний торец диска 9 и на половину поверхности шара 8. Этим же ударом шар затем отбрасывается из-под отверстия 11. Произведение давления гидравлического удара на площадь торца диска дает осевую силу. В горизонтальных и наклонных скважинах эта сила способствует преодолению силы трения буровой колонны о стенку скважины и увеличению, за счет этого, нагрузки на долото, что обеспечивает повышение механической скорости бурения. В вертикальных скважинах дополнительно к нагружению низом бурильной колонны долото периодически догружается силой гидравлического удара, что способствует повышению показателей вращательного бурения.

Забойный пульсатор использован при бурении скважин Саратовским УБР (ПО "Саратовнеефтегаз").

1. Использование забойного пульсатора в наклонной скважине N 43 Михалковской площади.

Бурение велось в наклонном прямолинейном участке ствола скважины в интервале 1390-1720 м.

Зенитный угол ствола (угол наклона) 26 град.

Компоновка бурильной колонны: долото ⊘ 215,9 мм СЗГАУ (3 шт.) и МСЗГНУ (1 шт.) без гидромониторных насадок: калибратор КС o 215,9 мм; забойный пульсатор o 195 мм; винтовой забойный двигатель Д2 o 195 мм со стабилизационным кольцом o 214 мм; УБТ o 178 мм 50 м; СБТ o 127 мм - 844 м; ЛБТ o 129 мм длина изменялась от 240 до 410 м; СБТ o 127 мм - остальное.

Буровая установка БУ-75-БрД. Один буровой насос У8-6МД. Диаметр втулок 2 х 170 мм и 2 х 160 мм.

Бурильная колонна была спущена до забоя без осложнений. Режим бурения: разгрузка бурильной колонны по ГИВу 10-11 тонн; давление на стояке 6-7 МПа; производительность насоса 21-24 л/с. Параметры бурового раствора: плотность 1,09 1,13 г/см³; вязкость по СПВ-5 20-45 с. водоотдача за 30 минут 5-14 см³.

В процессе бурения никаких осложнений не отмечено.

Средняя механическая скорость бурения ствола 2,12 м/час, средняя проходка на долото 110 м.

За базу сравнения приняты средние результаты бурения наклонно-прямолинейных стволов скв. N 37 в интервале 1384 1745 м и скв. N 41 в интервале 1393-1743 м, пробуренных на той же Михалковской площади в сходных геолого-технических условиях, но без использования забойного пульсатора.

Средняя механическая скорость на базе сравнения составила 1,77 м/час, проходка на долото 55 м.

Как видно из сравнения с базовыми показателями, применение забойного пульсатора привело к увеличению механической скорости бурения на 19 а проходка на долото на 100
Использование забойного пульсатора в горизонтальной скважине N 75 Ириновской площади.

Бурение велось в условно-горизонтальном участке ствола скважины в интервале 737-830 м; весь условно-горизонтальный участок занимает интервал 687-830 м.

Компоновка бурильной колонны: долото o 215,9 мм СЗГАУ (без насадок); забойный пульсатор o 195 мм; винтовой забойный двигатель ДУ o 172 мм со стабилизационным кольцом o 210 мм; ЛБТ o 129 мм 196 м; СБТ o 127 мм - 24,5 м; УБТ o 178 мм 25,4 м; УБТ o 165 мм 99,4 м; СБТ o 125 мм - остальное.

Буровая установка БУ-75-БрД. Один буровой насос У 8-6 МА. Диаметр втулок 170 мм х 2.

Бурильная колонна была опущена до забоя скважины без осложнений.

Режим бурения: бурильная колонна полностью разгружена; давление на стояке 5-7 МПа; производительность бурового насоса 21-23 л/сек. Параметры бурового раствора: плотность 1,12 1,14 г/см₃; вязкость 30 сек по СПВ 5; водоотдача 8 см³ за 30 минут; количество песка 1 (вес).

В процессе бурения никаких осложнений не отмечено, интервал бурения пройден за одно долбление.

Средняя механическая скорость бурения составила 2,82 м/час.

За базу сравнения приняты средние результаты бурения условно-горизонтальных стволов скважин той же Ириновской площади; расположенных рядом со скважиной N 75 и пробуренных в сходных геолого-технических условиях: скв. N 73 в интервале 686 830 м; N 76 в интервале 660-812 м; N 74 в интервале 687-829 м.

Базовые скважины бурились без применения забойного пульсатора; средняя скорость механического бурения составила 1,98 м/час.

Как видно, по сравнению с базовой, скорость механического бурения с применением забойного пульсатора увеличилась на 43
Таким образом, заявляемое техническое решение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

Использование: изобретение относится к бурению скважин, точнее - к забойным генераторам импульсов. Сущность изобретения: в забойном пульсаторе, имеется полый цилиндрический корпус с установленным в его полости со стороны выходного конца ограничителем в форме решетки с боковыми отверстиями и центральной площадкой для перекатывания расположенного на ней шара. Центральная площадка выступает над поверхностью решетки. Над шаром с зазором установлен диск со сферически - вогнутой внутренней поверхностью и боковым отверстием. Радиус сферической поверхности диска равен диаметру шара, а диаметр бокового отверстия диска равен радиусу шара. Благодаря указанным конструктивным особенностям предотвращается присасывание шара к решетке и создается осевая сила, периодически воздействующая на конец бурильной колонны. В результате повышается надежность работы пульсатора и обеспечивается передача нагрузки на долото в горизонтальных и наклонных скважинах за счет преодоления сил трения бурильной колонны о стенки скважины. Использование изобретения позволяет повысить надежность работы забойного пульсатора и обеспечивает возможность его использования в качестве усилителя нагрузки на долото при бурении пространственно-изогнутых скважин. 3 ил.

Забойный пульсатор, включающий полый цилиндрический корпус с присоединительными резьбами, установленный в полости корпуса со стороны выходного конца ограничитель в форме решетки с боковыми отверстиями и центральной площадкой для перекатывания расположенного на ней шара, отличающийся тем, что площадка для перекатывания шара выступает над поверхностью решетки, над шаром с зазором установлен диск с обращенным к шару сферически-вогнутым торцом и боковым отверстием, причем радиус сферической поверхности торца равен диаметру шара, а диаметр бокового отверстия диска равен радиусу шара.