ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 2002 года по МПК E21B10/18 E21B10/60 

Изобретение относится к буровому породоразрушающему инструменту, особенно для проводки глубоких скважин с кольматацией в геологически осложненных условиях и для бурения продуктивного горизонта.

Прототипом предлагаемого изобретения является гидроакустическое буровое долото, включающее корпус с промывочными каналами, лапы, породоразрушающие органы, узел генерирования гидроакустических волн, выполненный в виде вихревой камеры с тангенциально направленными входными соплами, коническим отражателем волн и гидроакустическим патрубком (см. патент CШA 5303784, кл. США 175/56, 1994, Европатент 0512330 A1, кл. E 21 В 10/18, 1995).

В указанном прототипе поток буровой жидкости непосредственно поступает в тангенциальные сопла вихревой камеры. При этом из-за резкого изменения сечения и направления потока сильно возрастает перепад давления в устройстве.

Кроме того, закрученный поток буровой жидкости истекает из гидроакустического патрубка равномерно в радиально расходящем направлении. При этом основная часть потока закрывается лапами долота, не доходит до стенки скважины, а только незначительная часть потока через пространство между лапами долота доходит до стенки скважины (см. фиг.6). Это значительно ухудшает кольматацию стенки скважины в геологически осложненных горизонтах, особенно при бурении продуктивного горизонта приводит к загрязнению нефтяного пласта и существенному снижению его продуктивности.

Цель изобретения - повышение эффективности работы гидроакустического устройства и проходки скважин в геологически осложненных условиях и сохранение естественной продуктивности пласта.

Поставленная цель достигается тем, что гидроакустическое буровое долото, включающее корпус с промывочными каналами, лапы, породоразрушающие органы, узел генерирования гидроакустических волн, выполненный в виде вихревой камеры с тангенциально направленными входными соплами, коническим отражателем волн и гидроакустическим патрубком, узел генерирования гидроакустических волн снабжен камерой предварительного закручивания потока с тангенциальными входными каналами, и установленной над вихревой камерой, причем тангенциальные входные каналы камеры предварительного закручивания потока и тангенциальные входные сопла вихревой камеры имеют одинаковое вращательное направление, а длина гидроакустического патрубка определяется из зависимости
L=(0,5+n)λ,
где n -1, 2, 3, 4, 5 и т.д.;
λ - длина генерируемой гидроакустической волны.

Кроме того, торец гидроакустического патрубка выполнен ступенчато в виде поверхности переменной кривизны, например, в виде "кулачков", образованных по винтовой линии или с прорезями, выполненными тангенциально ко внутренней стенки гидроакустического патрубка, причем щели между ступеньками (кулачками) или тангенциальные прорези расположены между лапами долота.

Обоснование отличительных признаков.

В предложенном устройстве в отличие от прототипа узел генерирования гидроакустических волн снабжен камерой предварительного закручивания потока с тангенциальными входными каналами, установленной над вихревой камерой, а тангенциальные каналы камеры предварительного закручивания потока и тангенциальные сопла вихревой камеры имеют одинаковое направление. Это позволяет получить предварительное вращательное движение потока буровой жидкости перед виxpевой камерой и получить определенную начальную тангенциальную скорость на входе в вихревую камеру. Это в свою очередь повысит акустический КПД устройства.

Длина гидроакустического патрубка L должна соответствовать кратности длин гидроакустических волн λ, т.е. L = 0,5λ; 1λ; 1,5λ; 2λ; 2,5λ; 3λ и т.д. Это также повысит эффективность волнового воздействия на забой скважины.

Кроме того, в отличие от прототипа в предложенном устройстве торец гидроакустического патрубка выполнен ступенчато в виде "кулачков", образованных по винтовой линии или с тангенциальными прорезями, расположенными между лапами долота. Это позволяет закрученный поток буровой жидкости на выходе из гидроакустического патрубка разделить на отдельные потоки и направить через пространство между лапами долота на стенку скважины. При этом энергия гидродинамического потока полностью доходит до стенки скважины, улучшается очистка забоя за счет уменьшения встречного потока на забой, отраженного от внутренней поверхности лап. Радиальный поток жидкости в гидроакустическом поле осуществляет интенсивную кольматацию стенки скважины, способствует образованию плотного защитного экрана, предотвращающего проникновение буровой жидкости в нефтяной пласт.

На фиг.1 изображен общий вид гидроакустического бурового долота; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг.1, где показана схема истечения жидкости на выходе из гидроакустического патрубка в предложенном устройстве; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1, на фиг.4 - торец гидроакустического патрубка, выполненного в виде "кулачков"; на фиг.5 - торец гидроакустического патрубка, выполненного с тангенциальными щелевидными прорезями; на фиг.6 - схема истечения жидкости через гидроакустический патрубок прототипа; на фиг.7 - принцип работы гидроакустического бурового долота в скважине.

Гидроакустическое буровое долото состоит из корпуса 1, лапы 2 для крепления шарошек 3. В корпусе 1 установлена вихревая камера 4 с тангенциально направленными входными соплами 5 и гидроакустическим патрубком 6. Вихревая камера 4 может быть выполнена сферической, конической, цилиндрической формы с изменяемым или регулируемым объемом. В данном конкретном случае вихревая камера 4 образована гидроакустическим цилиндрическим патрубком 6. Над вихревой камерой 4 установлена камера 7 предварительного закручивания потока с тангенциальными входными каналами 8. Сопла 5 и каналы 8 направлены в одну и ту же сторону. Торец гидроакустического патрубка 6 выполнен ступенчато в виде "кулачков" 9 или с тангенциальными прорезями 10. Щели между "кулачками" 9 или прорези 10 расположены между лапами 2 долота, чтобы радиальные потоки 11 были направлены через пространство между лапами 2 к стенке скважины (см. фиг. 2 и 7).

Устройство работает следующим образом (см. фиг.7). Буровая жидкость по бурильной колонне 12 поступает через тангенциальные входные каналы 8 в камеру 7 предварительного закручивания потока. В камере 7 буровая жидкость приобретает предварительное вращательное движение. Скорость вращения потока в камере 7 значительно меньше, чем в вихревой камере 4. Далее буровая жидкость с определенной начальной тангенциальной скоростью через тангенциальные входные сопла 5 поступает в вихревую камеру 4. В соплах 5 тангенциальному потоку передается дополнительное ускорение и в вихревой камере 4 поток приобретает интенсивное вращательное движение по спирали. 3а счет кинетической энергии вращательного потока буровая жидкость попадает в щели между "кулачками" 9 или в щелевидные тангенциальные прорези 10, разделяется на отдельные радиальные потоки 11 (см. фиг. 2 и 7) и через пространство между лапами 2 направляется к стенке скважины, далее по межтрубному пространству вверх. При этом в вихревой камере 4 и центральной зоне забоя образуется разрежение. В результате периодического проскока буровой жидкости из призабойной зоны в вихревую камеру в призабойной зоне генерируются гидроакустические импульсы давления автоколебательного характера.

Гидроакустические волны, генерируемые устройством, распространяются, в основном, в двух направлениях: в радиальном и осевом. Гидроакустические волны, направленные радиально к стенке скважины в сочетании с радиально направленным потоком жидкости, обеспечивают акустическую кольматацию стенки скважины, создают прочную корку - кольматационный защитный экран, предотвращающий обвалы, поглощения, водонефтегазопроявления.

Гидроакустические волны, направленные в осевом направлении на забой скважины, интенсифицируют процесс разрушения породы, способствуют увеличению скорости бурения и проходки на долото.

Применение заявленного долота позволяет существенно улучшить технико-экономических показатели бурения глубоких скважин по сравнению с прототипом и наилучшими типами применяемых долот.

Изобретение относится к буровому породоразрушающему инструменту для бурения в геологически осложненных условиях и продуктивного горизонта с использованием гидроакустической кольматации. Гидроакустическое буровое долото включает корпус с промывочными каналами, лапы, породоразрушающие органы, узел генерирования гидроакустических волн, выполненный в виде вихревой камеры с тангенциально направленными входными соплами, коническим отражателем волн и гидроакустическим патрубком. Узел генерирования гидроакустических волн снабжен камерой предварительного закручивания потока с тангенциальными входными каналами, установленной над вихревой камерой. Тангенциальные входные каналы камеры предварительного закручивания потока и тангенциальные входные сопла вихревой камеры имеют одинаковое направление. Применение долота данной конструкции позволяет вскрывать продуктивные горизонты, сохраняя естественную продуктивность пласта, и существенно повышает технико-экономические показатели бурения глубоких скважин. 1 з.п.ф-лы. 7 ил.

1. Гидроакустическое буровое долото, включающее корпус с промывочными каналами, лапы, породоразрушающие органы, узел генерирования гидроакустических волн, выполненный в виде вихревой камеры с тангенциально направленными входными соплами, коническим отражателем волн и гидроакустическим патрубком, отличающееся тем, что узел генерирования гидроакустических волн снабжен камерой предварительного закручивания потока с тангенциальными входными каналами, установленной над вихревой камерой, причем тангенциальные входные каналы камеры предварительного закручивания потока и тангенциальные входные сопла вихревой камеры имеют одинаковое направление. 2. Долото по п.1, отличающееся тем, что торец гидроакустического патрубка выполнен ступенчато в виде поверхности переменной кривизны, например, в виде кулачков, образованных по винтовой линии, или с прорезями, выполненными тангенциально к внутренней стенке гидроакустического патрубка, причем щели между ступеньками или тангенциальные прорези расположены между лапами долота.