УСТРОЙСТВО ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН Российский патент 1998 года по МПК E21B10/18 

Изобретение относится к бурению глубоких скважин на воду, нефть и газ в частности, к повышению герметичности и прочности проницаемых пород.

Для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы известно устройство для сооружения скважин [1] содержащее корпус с центральным каналом, с двумя рядами лопастей центратора, разнесенными по высоте на длину, равную диаметру долота, с двумя одинакового диаметра насадками, оси которых пересекаются под углом 90^o, и имеющими гидравлическую связь с центральным каналом корпуса, гидромониторное долото, установленное под корпусом. Для создания качественного низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы необходимо, чтобы точка пересечения осей насадков находилась на определенном расстоянии от стенки скважины. Вследствие возможного окружного движения долота за один оборот расстояние от торцов насадков до стенки скважины может изменяться в интервале
0.(D_д d_у)мм,
где D_д диаметр долота, мм;
d_у диаметр корпуса устройства, мм.

В результате изменения расстояния от торцов насадков до стенки скважины в таком широком диапазоне точка пересечения осей насадков может изменять свое положение относительно стенок скважины, что может приводить к изменению функций струй за один оборот от повышения герметичности и прочности до разрушения проницаемых пород. Для ограничения нерегулируемых изменений расстояния от торцов насадков до стенки скважины в известном решении [1] насадки монтируются между двумя рядами опорно-центрирующих элементов, разнесенными по высоте на длину, равную диаметру долота. При применении такого устройства в реальных условиях бурения обнаружены следы контакта торцов насадков со стенкой скважины. Следовательно, такое выполнение устройства не позволяет избежать изменения функций струй, отмеченных выше.

Для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана реализуется воздействие гидростатического поля (пульсации давления), генерируемого пересекающимися под углом 90^o высокоскоростными струями одинакового диаметра, на твердые частицы бурового раствора. В устройстве [1] используется только прямая волна, отраженная волна рассеивается в окружающей среде, что существенно снижает эффективность использования гидравлической энергии, подводимой к устройству и долоту.

При пересечении двух струй в реальных условиях плоскость движения слившихся потоков поворачивается на 90^o по отношению к плоскости, проходящей по осям струй, образуется веер. Вероятно, при пересечении струи энергия скоростного напора жидкости на внутренних образующих струй частично гасится, в результате чего слившийся поток жидкости имеет возможность двигаться в плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей по осям струй, а по внешним образующим энергия жидкости гасится в точке пересечения, в результате чего в точке пересечения жидкостей по внешним образующим происходит смыкание двух струй и не отмечается радиального движения слившихся струй. Если плоскость, проходящая по осям струй, параллельна продольной оси центрального канала, то образуется горизонтальный веер (веер, плоскость которого перпендикуляры на оси скважины). Если плоскость, проходящая по осям струй, перпендикулярна продольной оси центрального канала, то образуется вертикальный веер (веер, плоскость которого параллельна оси скважины).

При использовании известного устройства [1] может образовываться горизонтальный веер, и очистка стенок скважины осуществляется узкой полосой, что может ограничить скорость линейного перемещения бурильного инструмента как в процессе бурения, так и при проработке скважины.

Кроме того, в известном техническом решении никак не связывается наличие гидромониторного долота, установленного под корпусом, с работой устройства для сооружения скважин.

Цель изобретения повышение надежности работы устройства и эффективности кольматации путем создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы.

Предлагаемое устройство для сооружения скважин выполнено в виде центратора с двумя рядами лопастей, разнесенными по высоте на длину, равную диаметру долота. Корпус устройства имеет центральный канал. Непосредственно под корпусом смонтировано гидромониторное долото. Лопасти центратора совмещены с лапами долота. В лопастях нижнего ряда центратора смонтированы два одинаковых по диаметру насадка, оси которых пересекаются под углом 90^o в одной плоскости, перпендикулярной оси центрального канала, причем точка пересечения осей насадков расположена внутри окружности описанной около лопастей центратора, на расстоянии не ближе
l ≥ r_н/sin(α/2);
где l расстояние от точки пересечения осей насадков до окружности, мм;
r_н радиус насадка;
α - угол пересечения осей насадков, град.

Насадки, смонтированные в лопастях нижнего ряда центратора, имеют гидравлическую связь с центральным каналом корпуса.

Промывочный канал, расположенный в гидромониторном долоте насадков устройства, заглушен.

Выполнение устройства в виде центратора, лопасти которого совмещены с лапами долота, позволяет ограничить поперечное смещение устройства при любой форме движения долота (вращение вокруг оси долота и оси скважины, вращение вокруг оси долота и оси долота вокруг оси скважины). Совмещение лопастей центратора с лапами долота позволяет предотвратить преждевременный износ лопастей центратора и повысить работоспособность устройства в целом.

Расположение насадков в лопастях центратора позволяет исключить контакт торцов насадков со стенкой скважины при любой форме движения долота на забое уменьшить рассеивание гидроакустической волны, генерируемой пересекающимися струями.

Фиксация точки пересечения осей насадков внутри окружности, описанной около лопастей центратора, на расстоянии l ≥ r_н/sin(α/2), позволяет предотвратить эрозионное воздействие высокоскоростных струй бурового раствора на стенку скважины и обеспечить более равномерное гидродинамическое воздействие на твердые частицы, вводимые в поры и каналы проницаемых пород для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы.

Расстояние l ≥ r_н/sin(α/2) выбирается из условия, чтобы точка смыкания двух струй по внешним образующим не выходила за пределы окружности, описанной около лопастей центратора. Так как за точкой смыкания двух струй по внешним образующим радиальная скорость слившихся потоков равна нулю, соответственно не будет силового воздействия на стенки скважины в плоскости расположения пересекающихся струй.

Глушение промывочного канала в гидромониторном долоте интенсифицирует поток жидкости со шламом от забоя в кольцевое пространство через свободное пространство между шарошками. Так как промывочный канал, расположенный напротив насадков устройства, заглушен, появляется возможность использовать шлам наряду с твердыми частицами бурового раствора для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана в скелете породы, что особенно важно при низкой концентрации твердых частиц в промывочной жидкости, например при бурении на технической воде.

Расположение насадков в лопастях нижнего ряда центратора позволяет уменьшить расстояние между поверхностью забоя и зоной воздействия высокоскоростных струй и повысить эффективность кольматации путем снижения влияния неохваченного обработкой участка ствола скважины.

Использование устройства для сооружения скважин при бурении показало, что стойкость устройства составляет 150-400 ч в зависимости от абразивных свойств разреза, что низкопроницаемый (непроницаемый) экран внутри скелета породы на репрессию-депрессию выдерживается 8 МПа, что применение устройства позволяет получать ствол практически номинального диаметра в условиях слабосцементированных малопрочных пород.

Таким образом, совокупность признаков заявляемого устройства совмещение лопастей центратора с лапами долота, расположение насадков в лопастях нижнего ряда центратора в одной плоскости, перпендикулярной оси центрального канала, расположение точки пересечения осей насадков внутри окружности, описанной около лопастей центратора на расстоянии
l ≥ r_н/sin(α/2),
где l расстояние от точки пересечения осей насадков до окружности, мм;
r_н радиус насадка, мм;
α угол пересечения осей насадков, град.

глушение промывочного канала в долоте напротив насадков устройства позволяет повысить надежность работы устройства и эффективность кольматации путем создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы, даже слабосцементированной и малопрочной, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям изобретения "Новизна" и "Изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображено устройство для сооружения скважин, общий вид; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вид по стрелке Б на фиг. 1; на фиг. 4 параметры l, r_н, a.

Устройство для сооружения скважин имеет корпус 1 с центральным каналом 2, с двумя рядами лопастей 3 центратора, расположенными по высоте на длину, равную диаметру долота, в нижний ряд которых вмонтированы насадки 4, полость между лопастями 3, где смонтированы насадки 4, выполнена в виде отражателя 5, внутренняя полость насадков 4 имеет каналы 6, обеспечивающие гидравлическую связь с центральным каналом 2 с двумя рядами лопастей 3 центратора, расположенными по высоте на длину, равную диаметру долота, в нижний ряд которых вмонтированы насадки 4, полость между лопастями 3, где смонтированы насадки 4, выполнена в виде отражателя 5, внутренняя полость насадков 4 имеет каналы 6, обеспечивающие гидравлическую связь с центральным каналом 2, гидромониторное долото 7 с насадками 8, эаглушкой 9 и лапами 10. На фиг. 2 показано, что каналы 6, соединяющие внутренние полости насадков 4 с центральным каналом 2, расположены в плоскости, перпендикулярной оси центрального канала 2. На фиг. 3 показано, что гидромониторное долото 7 оборудовано насадками 8 и заглушкой 9, размещенной напротив насадков 4 корпуса 1. На фиг. 2 и 3 видно, что лопасти 3 центратора совмещены с лапами 10 гидромониторного долота 7. На фиг. 4 показаны параметры l, r_н, a, определяющие точку пересечения осей насадков 4 внутри окружности, описанной около лопастей 3 центратора.

После включения устройства в компоновку бурильной колонны при любом способе бурения на долоте 7 подбором насадков 8 устанавливается заданный перепад давления бурового раствора. Обеспечение заданного перепада давления на долоте осуществляется на поверхности земли. После спуска компоновки бурильной колонны в скважину и включении буровых насосов при заданной подаче бурового раствора на долоте создается заданный перепад давления, при этом часть бурового раствора истекает через насадки 4 устройства для повышения герметичности и прочности проницаемых пород, оставшаяся часть бурового раствора через насадки 8 на очистку долота и забоя.

Учитывая, что лопасти 3 центратора совмещены с лапами 10 долота 7, ограничивается поперечное смещение устройства при любой форме движения долота, так как лопасти 3 центратора будут двигаться по той же траектории, что и лапы 10 гидромониторного долота 7. Совмещение лопастей 3 центратора с лапами 10 гидромониторного долота 7 экранирует (защищает) лопасти 3 центратора от контакта со стенкой шарошками и лапами 10 гидромониторного долота 7, что позволяет предотвратить преждевременный износ лопастей 3 центратора и повысить работоспособность устройства в целом. Любое другое размещение лопастей 3 центратора по отношению к лапам 10 гидромониторного долота 7 может привести к контакту лопастей 3 центратора со стенкой скважины и преждевременному разрушению устройства.

Так как лопасти 3 центратора устройства защищены от контакта со стенкой скважины, расположение насадков 4 в лопастях 3 центратора позволяет исключить контакт торцов насадков 4 со стенкой скважины при любой форме движения долота на забое.

Выполнение полости между лопастями 3 центратора, где смонтированы насадки, в виде отражателя 5 позволяет уменьшить рассеивание энергии гидроакустической волны генерируемой пересекающимися струями.

Так как оси насадков 4 расположены в плоскости, перпендикулярной оси центрального канала 2, образуется вертикальный веер. В этом случае очистка стенок от глинистой корки осуществляется широкой полосой слившихся потоков бурового раствора, что снимает всякие ограничения скорости линейного перемещения бурильного инструмента как при механическом бурении, так и при проработке ствола скважины.

Так как насадки 4 вмонтированы в нижний ряд лопастей 3 центратора, фиксация точки пересечения осей насадков 4 внутри окружности, описанной около лопастей 3 центратора, на расстоянии l ≥ r_н/sin(α/2) исключает контакт точки пересечения со стенкой скважины, что позволяет предотвратить эрозионное воздействие высокоскоростных струй бурового раствора на стенку скважины и обеспечить более равномерное гидродинамическое воздействие на твердые частицы, вводимые в поры и каналы проницаемых пород.

Использование заглушки 9 в гидромониторном долоте 7 позволяет освободить пространство между лапами 10 от встречного потока струи, в результате чего под действием скоростного напора оставшихся двух струй буровой раствор со шламом движется в свободное пространство между лапами 10. В этом случае буровой раствор с высокой концентрацией шлама попадает в пространство между лопастями центратора, где размещены насадки 4 устройства, что позволяет использовать шлам наряду с твердыми частицами бурового раствора для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы.

Расположение насадков 4 в лопастях 3 нижнего ряда центратора позволяет уменьшить расстояние между поверхностью забоя и зоной воздействия высокоскоростных струй и повысить эффективность кольматации путем снижения влияния неохваченного обработкой участка ствола скважины.

Использование: изобретение относится к бурению глубоких скважин на воду, нефть и газ, в частности, к повышению герметичности и прочности проницаемых пород. Сущность изобретения: устройство для сооружения скважины содержит корпус с центральным каналом, с двумя рядами лопастей центратора, разнесенными по высоте на длину, равную диаметру долота, с двумя одинакового диаметра насадками, оси которых пересекаются под углом 90^o, и имеющими гидравлическую связь с центральным каналом корпуса, гидромониторное долото, установленное под корпусом. Лопасти центратора совмещены с лапами долота. Насадки расположены в лопастях центратора в одной плоскости, перпендикулярной оси центрального канала. Точка пересечения осей насадков расположена внутри окружности, описанной около лопастей центратора, на расстоянии l ≥ r_н/sin(α/2) , где l - расстояние от точки пересечения осей насадков до окружности, мм; r_н - радиус насадка, мм; α - угол пересечения осей насадков, град., а промывочный канал в долоте напротив насадков устройства заглушен. 4 ил.

Устройство для сооружения скважины, содержащее корпус с центральным каналом, с двумя рядами лопастей центратора, разнесенными по высоте на длину, равную диаметру долота, с двумя одинакового диаметра насадками, оси которых пересекаются под углом 90^o, и имеющими гидравлическую связь с центральным каналом корпуса, гидромониторное долото, установленное под корпусом, отличающееся тем, что лопасти центратора совмещены с лапами долота, насадки расположены в лопастях центратора в одной плоскости, перпендикулярной оси центрального канала, точка пересечения осей насадков расположена внутри окружности, описанной около лопастей центратора, на расстоянии
l ≥ r_н/sin(α/2),
где l расстояние от точки пересечения осей насадков до окружности, мм;
r_н радиус насадки, мм;
α - угол пересечения осей насадков, град.

а промывочный канал в долоте напротив насадков устройства заглушен.