СПОСОБ УДАРНОГО БУРЕНИЯ НА АКВАТОРИЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК E21B7/12 E21B25/18 E21B25/02 

Изобретение относится к области подводного бурения на акваториях при совмещении с процессом извлечения керна.

Известны различные способы и устройства ударно-забивного бурения с совмещением процессов погружения обсадной колонны и керноприемника [1-3].

Так, известная технология [3] ударного бурения включает погружение колонны обсадных труб в породы совместно со съемным керноприемником, который фиксируют в каждом рейсе при помощи специального механизма в стопорной проточке обсадной колонны и который снабжен кернодержателем с пружинящими лепестками.

Известной технологии [3] бурения присущ недостаток: трудно обеспечить фиксацию съемного керноприемника в обсадной колонне без его добивания. Иногда добить его до места фиксации вобще не удается, и тогда переходят на раздельное погружение обсадной колонны и отбор керна из нее керноприемником другого типа. Обусловлено это недостаточной надежностью работы лепесткового кернодержателя и сложностью конструкции механизма фиксации. Кроме того, лепестковый кернодержатель деформирует керн, оказывает сопротивление продвижению его в керноприемник и плохо удерживает керн рыхлых обводненных пород, объемы бурения которых на акваториях значительны. Поэтому после каждого рейса над башмаком обсадной колонны остаются выпавшие из съемного керноприемника породы. Если в выпавших породах оказываются кусочки крепких пород (или даже ракушечник) и они попадают между башмаками съемного керноприемника и обсадной колонны, то обеспечить их фиксацию не удается.

Известный способ [1] ударного бурения, принятый за прототип, включает погружение ударным или вибрационным методами колонны обсадных труб совместно со съемным керноприемником. Способ [1] заключается в спуске до дна акватории обсадной колонны, спуске до упора в ее башмак съемного керноприемника, фиксации керноприемника в обсадной колонне, совместном погружении обсадной колонны и керноприемника ударами по обсадной колонне в рыхлые породы, а также последующей расфиксации съемного керноприемника и его подъеме вместе с керном из обсадной колонны на поверхность. При этом съемный керноприемник в каждом рейсе удерживают (фиксируют) у башмака обсадной колонны (у забоя скважины) силой давления нагнетаемой в обсадную колонны воды.

Соответствующее способу [1] устройство [1,2] для ударного бурения на акваториях включает обсадную колонну с башмаком, съемный керноприемник с башмаком, кернодержателем и переходником для соединения со средством спуска и подъема съемного керноприемника, а также узел фиксации съемного керноприемника в обсадной колонне.

Однако в способе и устройстве [1,2] при фиксации съемного керноприемника давлением воды в моменты нанесения ударов по обсадной колонне из-за инерционности съемного керноприемника происходит некоторое отставание его от башмака, и освободившееся пространство между ними заполняется породами. Так как в породах зачастую присутствуют гравийно-галечечные отложения, то в промежутках между ударами давление воды не всегда возвращает съемный керноприемник в положение до контакта с башмаком обсадной колонны. При последующих ударах по обсадной колонне через зазор между ее башмаком и башмаком съемного керноприемника часть выбуриваемых пород (особенно обводненных песков и илов) поступает в кольцевой зазор между стенками обсадной колонны и съемного керноприемника. В результате съемный керноприемник оказывается заклиненным породами в обсадной колонне, и его трудно из нее извлечь.

Таким образом, в ряде случаев известные способ [1] и устройство [1,2] не обеспечивают достаточной надежности фиксации керноприемника в буровом снаряде, а конструкция лепесткового кернодержателя [1,2], являясь сложной, недостаточно совершенна, что снижает производительность ударного бурения с совмещением процесса керноотбора, а также прочность крепления скважины трубами в рыхлых обводненных породах на акваториях.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании таких способа и устройства для ударного бурения на акваториях, которые бы позволили повысить эффективность технологии путем использования рациональных операций способа и адекватной конструкции кернодержателя, а также путем надежной фиксации съемного керноприемника в башмаке обсадной колонны за счет исключения попадания пород в кольцевой зазор между стенками обсадной колонны и съемного керноприемника, а также за счет исключения выпадения из него керна при подъеме на поверхность. Тем самым в изобретении реализуется оптимальный критерий "сложность-стоимость-эффективность", т. е. получение максимальной эффективности при приемлемой сложности и стоимости технологии.

Основной технический результат изобретения - повышение производительности и качества ударного бурения на акваториях с совмещением процессов отбора керна, повышение надежности кернодержателя при упрощении его конструкции, а также повышение надежности фиксации съемного керноприемника. При этом повышается прочность крепления скважины трубами в рыхлых обводненных породах.

Технический результат достигается за счет использования жесткой фиксации съемного керноприемника в обсадной трубе на резьбовом соединении и за счет применения специальной конструкции автоматического кернодержателя с подвижными подрезными ножами. Синергия новой технологии и реализующего ее устройства обеспечивают совокупный эффект двух технических объектов, объединенных единой целью повышения эффективности совместного процесса бурения с отбором керна на акваториях.

Технический результат в способе ударного бурения на акваториях достигается следующим образом.

Способ заключается в спуске до дна акватории обсадной колонны, спуске до упора в ее башмак съемного керноприемника, фиксации керноприемника в обсадной колонне, совместном погружении обсадной колонны и керноприемника ударами по обсадной колонне в рыхлые породы, а также последующей расфиксации съемного керноприемника и его подъеме вместе с керном из обсадной колонны на поверхность.

Отличительными особенностями способа является то, что фиксацию съемного керноприемника в обсадной колонне осуществляют путем жесткого резьбового соединения их башмаков. Керн в извлекаемом из обсадной колонны съемном керноприемнике удерживают автоматически срабатывающим кернодержателем с подрезными ножами, а спуск съемного керноприемника к месту фиксации, его фиксацию, расфиксацию и подъем из обсадной трубы проводят на колонне бурильных труб. Причем подсоединение керноприемника к колонне бурильных труб осуществляют путем резьбового соединения с заходом резьбы, противоположным заходу резьбового соединения башмаков обсадной колонны и керноприемника.

Технический результат устройства достигается следующим образом.

Устройство для ударного бурения на акваториях включает обсадную колонну с башмаком, съемный керноприемник с башмаком, кернодержателем и переходником для соединения со средством спуска и подъема съемного керноприемника, а также узел фиксации съемного керноприемника в обсадной колонне.

Отличительными особенностями устройства является то, что узел фиксации выполнен в виде жесткого резьбового соединения башмаков обсадной колонны и съемного керноприемника. Устройство также отличается тем, что кернодержатель выполнен из дугообразных пружинящих пластин, установленных в продольных пазах на внешней поверхности башмака керноприемника, причем верхний конец каждой пружинящей пластины жестко соединен с корпусом башмака керноприемника, к нижнему ее концу в перпендикулярной плоскости и жестко присоединен подрезной нож, свободный конец которого установлен в сквозной щели башмака керноприемника с возможностью возвратно-поступательного перемещения в плоскости поперечного сечения. Переходник для соединения кернодержателя с выполненным в виде бурильной колонны средством спуска и подъема керноприемника снабжен резьбовым соединением с заходом резьбы, противоположным заходу резьбового соединения башмаков обсадной колонны и съемного керноприемника.

Кроме того, отличием устройства является то, что башмак обсадной колонны выполнен с внутренним цилиндрическим карманом, диаметр которого обеспечивает максимальное разжатие пружинящих пластин, а подрезные ножи не выступают из щелей башмака съемного керноприемника за его внутреннюю образующую.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства в начале рейса при зафиксированном в обсадной колонне съемном керноприемнике; на фиг. 2 - вид по А - А фиг.1; на фиг.3 - общий вид устройства при извлечении съемного керноприемника с керном из обсадной колонны.

Устройство для осуществления ударного способа бурения включает: обсадную колонну, содержащую башмак 1 и обсадные трубы 2, соединенные муфтами 3, съемный керноприемник, состоящий из башмака 4, керноприемного стакана 5, переходника 6 под бурильную колонну 7, а также забивной механизм, состоящий из забивного снаряда 8, тросовой оснастки 9 с уравновешивающей дугой 10. Башмаки 1 обсадной колонны и 4 съемного керноприемника снабжены резьбовым соединением с левым заходом, которое позволяет жестко их соединять. На внешней поверхности башмака 4 съемного керноприемника выполнены продольные пазы 11, а в нижнем конце каждого паза в теле башмака (над резьбой) выполнена сквозная прямоугольная щель 12. В пазы 11 вмонтированы соответствующих размеров пружинящие пластины 13, и их верхние концы жестко соединены (например, болтами) с башмаком 4. С нижним концом каждой пружинящей пластины 13 жестко соединен в перпендикулярной к пластине плоскости подрезной нож 14, и его свободный конец установлен в сквозной щели 12.

Бурение скважин на акваториях предложенными способом и устройством осуществляется следующим образом.

На палубе бурового плавоснования собирают часть обсадной колонны (башмак 1 и две обсадные трубы 2, соединенные муфтой 3) и на нее надевают до упора в муфту 3 забивной снаряд 8, соединенный с тросовой оснасткой 9 и уравновешивающей дугой 10. В точке заложения скважины собранную часть устройства (кроме уравновешивающей дуги 10) опускают при помощи лебедки в проем плавоснования. Наращивая обсадные трубы 2, обсадную колонну опускают вместе с находящимся на ее муфте за-бивным снарядом 8 до упора башмака 1 в дно акватории и подвешивают на плавосновании при помощи хомута (плавоснование и хомут не показаны).

Пружинящие пластины 13 съемного керноприемника утапливаются в соответствующие продольные пазы 11, съемный керноприемник вводится в обсадную колонну и на колонне бурильных труб 7 опускается до упора его башмака 4 в башмак 1 обсадной колонны, вращением бурильной колонны труб 7 влево ввинчивается башмак 4 в башмак 1. При движении съемного керноприемника в обсадной колонне пружинящие пластины удерживаются в сжатом состоянии силой давления на них со стороны стенок обсадной колонны. Обусловлено это незначительным зазором между стенками башмака 4 съемного керноприемника и обсадной колонны. В зафиксированном положении съмного керноприемника и обсадной колонны пружинящие пластины находятся в зазоре между стенками их башмаков. Размеры этого зазора больше, и пружинящие пластины 13 разжимаются настолько, что полностью уводят подрезные ножи 14 из внутренней полости башмака 4, освобождая ее для беспрепятственного поступления керна.

Далее расхаживанием забивного снаряда 8 вверх и вниз наносятся удары им по муфте 3, и обсадная колонна вместе с зафиксированным в ней съемным керноприемником погружаются в породы на необходимую длину рейса. После этого вращением колонны бурильных труб 7 вправо башмак 4 вывинчивается из башмака 1, и съемный керноприемник с керном поднимается из скважины на поверхность при развинчивании по мере подъема бурильной колонны на отдельные трубы.

При подъеме съемного керноприемника вверх пружинящие пластины 13 с момента их входа из башмака 1 в обсадную колонну 2 автоматически сжимаются силой давления на них внутренней стенки труб обсадной колонны. При этом подрезные ножи 14 выдвигаются из щелей 12 к оси съемного керноприемника и перекрывают его сечение, предотвращая тем самым выпадение керна. Пружинящие пластины 13 с момента их появления над торцом верхней муфты 3 и до укладки съемного керноприемника на палубе плавоснования удерживаются в сжатом положении с целью предотвращения выпадения керна. Удержание пластин в сжатом состоянии возможно различными способами, в том числе руками или при помощи надеваемого на этот период на съемный керноприемник металлического кольца (не показано).

Съемный керноприемник после очистки от керна снова опускается в обсадную колонну на бурильных трубах, и башмак 4 ввинчивается в башмак 1. В случае затруднения свинчивания башмаков из-за оставшихся на башмаке 1 пород, к забою по колонне бурильных труб 7 можно подать воду и под напором смыть породы с башмака 1, мешающие ввинчиванию в него башмака 4.

Фиксация съемного керноприемника в обсадной колонне путем жесткого соединения их башмаков за счет выполнения на них резьбы соответствующего захода исключает отставание съемного керноприемника от башмака обсадной колонны при нанесении по ней ударов. Это исключает возможность попадания выбуриваемых пород в кольцевой зазор между обсадной колонной и съемным керноприемником и возможность заклинивания последнего в обсадной колонне.

Применение бурильной колонны труб позволяет осуществлять на ней не только спуск и подъем съемного керноприемника, но и навинчивание его башмака на башмак обсадной колонны и последующее их отвинчивание. Противоположные заходы резьбы на концах соединяемых башмаков (например, резьба левая) и резьбы переходника под бурильную колонну (например, резьба правая) гарантируют успешное разъединение башмаков вращением бурильной колонны вправо и их соединение (фиксацию) - вращением влево. При этом должно быть соблюдено условие: резьбовые соединения труб бурильной колонны должны быть затянуты с моментом, превосходящим момент затяжки резьбового соединения башмаков. При использовании серийно выпускаемых замковых соединений бурильных труб выполнение этого условия легко осуществимо.

Выполнение кернодержателя из дугообразных пружинящих пластин с жестко присоединенными к ним в перпендикулярной плоскости подрезными ножами и возможность принудительного перемещения их в плоскости поперечного сечения башмака съемного керноприемника позволяет автоматически при его подъеме из обсадной колонны перерезать керн у забоя скважины, перекрыть подрезными ножами сечение башмака съемного керноприемника и исключить выпадение из него керна. Это существенно повышает качество отбираемого керна и облегчает последующий процесс фиксации съемного керноприемника в обсадной колонне.

Выполнение башмака обсадной колонны с внутренним карманом соответствующих размеров позволяет пружинам удерживать при бурении подрезные ножи в положении, при котором они не выступают из щелей за внутреннюю образующую башмака съемного керноприемника. Это не создает сопротивлений вхождению в съемный керноприемник керна и не деформирует ни подрезные ножи, ни керн.

Особенно эффективно применение заявленных способа и устройства при бурении в сильно обводненных породах. Их мощности на первых интервалах бурения почти каждой скважины и при стабилизации в грунте дна одноколонного опорного бурового основания достигают нескольких метров. Здесь одним рейсом необходимо пробурить весь интервал обводненных пород. При этом длина съемного керноприемника должна достигать 5-6 м. Бурение в таких породах с отбором керна рейсами меньшей длины неэффективно, так как в этом случае после извлечения керноприемника под действием перепада горного и гидростатического давлений в трубы с забоя поступают обводненные породы до первоначального их уровня.

С увеличением длины рейса увечиваются сопротивления вхождению керна в керноприемный стакан. Поэтому бурение способом и устройством с отбором керна рейсами длиной более 2 м, принятыми в качестве прототипа, сопряжено с рядом осложнений: а) поломка механизма фиксации съемного керноприемника в обсадной колонне, так как с увеличением сопротивлений вхождению керна в керноприемный стакан увеличиваются нагрузки на механизм фиксации; б) заклиниванием съемного керноприемника в обсадной колонне, так как с увеличением сопротивлений вхождению керна в керноприемный стакан усиливается поступление части выбуриваемых пород в кольцевой зазор между обсадной колонной и съемным керноприемником. Ликвидация заклинок съемного керноприемника в обсадной колонне зачастую требует извлечения ее из скважины. А это при бурении в море равносильно потере скважины. Поэтому действительные объемы бурения с применением прототипа в 1,3-1,5 раза больше проектных.

Применение предложенного способа ударного бурения и устройства для его осуществления позволяет в 2-3 раза увеличить длину рейса и исключить заклинивания съемного керноприемника в обсадной колонне за счет улучшения условий поступления керна в керноприемный стакан. Следовательно, способ ударного бурения и устройство для его осуществления по сравнению с прототипом позволяют сократить количество рейсов и время на бурение скважин, повысить качество и производительность бурения на акваториях.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Пронкин А.П., Хворостовский С.С. Прогнозирование направлений развития разведочного бурения на шельфе. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 1999. - 300 с. (прототип: с. 196-200).

2. А.с. СССР (Патент РФ) 1571212, МКИ Е 21 В 25/02, опубл. 15.06.90; ОБ, 1990, 22, с.121 (прототип устройства).

3. А.с. СССР 1484908, МКИ Е 21 В 25/02, опубл. 07.06.89: ОБ, 1989, 21, с. 142 (аналог).

Использование: подводное бурение на акваториях при совмещении с процессом извлечения керна. Сущность: использование рациональных операций способа и адекватной конструкции кернодержателя с фиксацией съемного керноприемника в башмаке обсадной колонны. Применение жесткой фиксации съемного керноприемника в обсадной трубе на резьбовом соединении и специальной конструкции автоматического кернодержателя с подвижными подрезными ножами. Технический результат: повышение производительности ударного бурения на акваториях с совмещением процессов отбора керна, повышение надежности кернодержателя при упрощении его конструкции, повышение надежности фиксации съемного керноприемника. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ударного бурения на акваториях, заключающийся в спуске до дна акватории обсадной колонны, спуске до упора в ее башмак съемного керноприемника, фиксации керноприемника в обсадной колонне, совместном погружении обсадной колонны и керноприемника ударами по обсадной колонне в рыхлые породы, а также последующей расфиксации съемного керноприемника и его подъеме вместе с керном из обсадной колонны на поверхность, отличающийся тем, что фиксацию съемного керноприемника в обсадной колонне осуществляют путем жесткого резьбового соединения их башмаков, керн в извлекаемом из обсадной колонны съемном керноприемнике удерживают автоматически срабатывающим кернодержателем с подрезными ножами, а спуск съемного керноприемника к месту фиксации, его фиксацию, расфиксацию и подъем из обсадной колонны проводят на колонне бурильных труб, причем подсоединение керноприемника к колонне бурильных труб осуществляют путем резьбового соединения с заходом резьбы, противоположным заходу резьбового соединения башмаков обсадной колонны и керноприемника. 2. Устройство для ударного бурения на акваториях включает обсадную колонну с башмаком, съемный керноприемник с башмаком, кернодержателем и переходником для соединения со средством спуска и подъема съемного керноприемника, а также узел фиксации съемного керноприемника в обсадной колонне, отличающееся тем, что узел фиксации выполнен в виде жесткого резьбового соединения башмаков обсадной колонны и съемного керноприемника, кернодержатель выполнен из дугообразных пружинящих пластин, установленных в продольных пазах на внешней поверхности башмака керноприемника, причем верхний конец каждой пружинящей пластины жестко соединен с корпусом башмака керноприемника, к нижнему ее концу в перпендикулярной плоскости жестко присоединен подрезной нож, свободный конец которого установлен в сквозной щели башмака керноприемника с возможностью возвратно-поступательного перемещения в плоскости поперечного сечения, а переходник для соединения кернодержателя с выполненным в виде бурильной колонны средством спуска и подъема керноприемника снабжен резьбовым соединением с заходом резьбы, противоположным заходу резьбового соединения башмаков обсадной колонны и съемного керноприемника. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что башмак обсадной колонны выполнен с внутренним цилиндрическим карманом, диаметр которого обеспечивает максимальное разжатие пружинящих пластин, а подрезные ножи не выступают из щелей башмака съемного керноприемника за его внутреннюю образующую.