СКВАЖИННЫЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 2019 года по МПК E21B31/06 E21B37/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области удаления металлических отходов, и более конкретно - к скважинному инструменту для удаления металлических отходов из ствола скважины.

Уровень техники

При проведении определенных операций в стволе скважины, в частности, бурения, фрезерования и т.п., требуется выполнять операции очистки с целью удаления металлических отходов, в частности, металлических стружек и опилок, остающихся в скважине. В противном случае такие отходы могут мешать нормальной работе противовыбросового превентора (ПВП) или иных арматурных устройств, присутствующих в скважине. Металлические отходы необходимо также удалять перед окончательным тампонированием выработанной скважины, чтобы исключить их попадание в цементную пробку.

В настоящее время металлические отходы обычно удаляют, опуская в скважину погружной магнит.Металлические отходы притягиваются к магниту. После того, как магнит притянет определенное количество металлических отходов, его магнитное поле ослабевает, и он перестает притягивать остальные отходы. Для продолжения операции очистки магнит приходится поднимать наверх и вручную удалять с него металлические отходы. После удаления отходов магнит может быть снова опущен в скважину.

После проведения определенных операций в скважине необходимо очищать скважину от металлических отходов. Техническое требование может заключаться, например, в том, чтобы после очистки в скважине оставалось менее, чем 0,5 кг металлических отходов. Для выполнения такого требования необходимо многократно опускать в скважину погружной магнит, известный из уровня техники, и вынимать его на поверхность. Такие операции занимают много времени и, следовательно, являются дорогостоящими.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение инструмента для удаления металлических отходов, который уменьшает или устраняет по меньшей мере некоторые недостатки способов и инструментов известного уровня техники.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение определяется прилагаемой формулой изобретения и раскрыто ниже.

Изобретение обеспечивает инструмент, или более конкретно - скважинный инструмент, предназначенный для удаления металлических отходов из ствола скважины и содержащий магнитный элемент, средства генерирования вращения, блок удаления отходов и контейнер для отходов, причем

- магнитный элемент содержит цилиндрический корпус, имеющий первый конец и второй конец;

- блок удаления отходов содержит первый спиральный продольный направляющий элемент, расположенный вокруг цилиндрического корпуса;

- средства генерирования вращения функционально соединены с цилиндрическим корпусом или первым спиральным продольным направляющим элементом;

- контейнер для отходов имеет первое отверстие, расположенное на втором конце цилиндрического корпуса,

причем

цилиндрический корпус или первый спиральный продольный направляющий элемент, установлен с возможностью вращения вокруг его центральной оси и выполнен таким образом, чтобы металлические отходы, накапливающиеся на цилиндрическом корпусе во время использования, направлялись первым спиральным продольным направляющим элементом к первому отверстию контейнера для отходов при работе средств генерирования вращения.

В одном из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению, средства генерирования вращения содержат по меньшей мере одно из следующего: электрический двигатель, гидравлический двигатель и роторный сопловой узел. Роторный сопловой узел содержит радиально наклонные сопла и выполнен таким образом, чтобы по меньшей мере части блока приводились во вращение, когда текучая среда под давлением выталкивается через сопла.

В одном из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению, контейнер для отходов имеет цилиндрическую форму, при этом центральная ось контейнера для отходов совпадает с центральной осью цилиндрического корпуса магнитного элемента.

В одном из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению, средства генерирования вращения установлены на первом конце цилиндрического корпуса магнитного элемента.

Один из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению имеет соединительный конец, дальний от контейнера для отходов, при этом указанный соединительный конец подходит для соединения скважинного инструмента с канатом, силовым кабелем, кабель-тросом, скважинной колонной труб, буровой трубой или колонной гибких труб.

Один из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению содержит трубчатый элемент, установленный соосно с центральной осью цилиндрического корпуса магнитного элемента и проходящий через цилиндрический корпус и контейнер для отходов. Указанный трубчатый элемент может иметь соединительный конец, дальний от контейнера для отходов.

В одном из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению средства генерирования вращения содержат роторный сопловой узел, а трубчатый элемент содержит радиальные сквозные отверстия сообщающиеся по текучей среде с соплами роторного соплового узла.

В одном из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению трубчатый элемент может быть соединен с колонной, трубой или колонной гибких труб, например, с буровой трубой.

Один вариант осуществления скважинного инструмента согласно изобретению содержит второй спиральный продольный направляющий элемент, функционально соединенный со средствами генерирования вращения и расположенный в контейнере для отходов, при этом направленность винтовой линии второго спирального продольного направляющего элемента выполнена таким образом, чтобы металлические отходы, направляемые первым спиральным продольным направляющим элементом к первому отверстию контейнера для отходов, направлялись далее в контейнер для отходов вторым спиральным продольным направляющим элементом при работе средств генерирования вращения.

В одном из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению роторный сопловой узел содержит сопла, которые не только имеют радиальный наклон, но и направлены под углом к плоскости, перпендикулярной центральной оси цилиндрического корпуса, и имеют наклон в направлении контейнера для отходов. Радиальный наклон сопел обеспечивает требуемое вращательное движение роторного соплового узла, в то время как комбинированный наклон сопел под углом к плоскости, перпендикулярной центральной оси цилиндрического корпуса, и в направлении контейнера для отходов, создает эффект «рикошета», под действием которого текучая среда, выталкиваемая из сопла, направляет металлические отходы к магнитному элементу. Выражение «угол наклона к плоскости, перпендикулярной центральной оси цилиндрического корпуса» может быть также описано как «осевой наклон».

В одном из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению цилиндрический корпус магнитного элемента имеет часть, сужающуюся ко второму концу.

В одном из вариантов осуществления скважинного инструмента согласно изобретению первое отверстие контейнера для отходов имеет кромку с закругленной выемкой в месте сопряжения между первым спиральным продольным направляющим элементом и указанной кромкой.

В следующем аспекте изобретение обеспечивает применение инструмента согласно изобретению для удаления металлических отходов из источника текучей среды.

Цилиндрический корпус имеет периферийную поверхность, притягивающую металл под действием магнитного поля, которое создается магнитами, установленными под указанной поверхностью.

Термин «роторный сопловой узел» означает устройство, которое создает вращение и вращается вокруг своей внутренней оси, когда текучая среда под высоким давлением выталкивается через сопла указанного блока.

Термин «магнитный элемент» означает элемент, который содержит части, способные путем магнитного воздействия притягивать металлические отходы, в частности, металлические стружки, осколки и опилки.

Краткое описание чертежей

Ниже приведено подробное описание одного из вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 - вид в аксонометрии инструмента согласно изобретению.

Фиг. 2 - вид скважинного инструмента с фиг. 1 в разрезе вдоль центральной оси.

Фиг. 3 - вид магнитного элемента в поперечном разрезе.

Фиг. 4 - вид скважинного инструмента с фиг. 2 в увеличенном масштабе.

Фиг. 5 - вид роторного соплового узла, соединенного с магнитным элементом скважинного инструмента, в увеличенном масштабе.

Фиг. 6 - вид в поперечном разрезе роторного соплового узла с фиг. 5.

Фиг. 7 - вид сбоку и в поперечном разрезе части скважинного инструмента с фиг. 1.

Фиг. 8 -подробный вид части поперечного разреза с фиг. 7.

Фиг. 9 - подробный вид закругленной выемки скважинного инструмента с фиг. 7.

Подробное раскрытие вариантов осуществления изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает инструмент для удаления металлических отходов из скважины, например, отходов, оседающих на противовыбросовом превенторе или вблизи него. Предпочтительный вариант осуществления такого инструмента раскрыт ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показан вид в аксонометрии инструмента 1 согласно настоящему изобретению. На фиг. 2 показан разрез скважинного инструмента вдоль центральной оси С. Скважинный инструмент содержит магнитный элемент 2, которые притягивает металлические отходы, блок 3 удаления отходов, содержащий скребок 4, который выполнен в виде спирали (т.е., первый спиральный продольный элемент), средства 5 генерирования вращения и контейнер 6 для отходов. Магнитный элемент 2 содержит цилиндрический корпус 10, имеющий первый конец 7 и второй конец 8. Контейнер для отходов имеет отверстие 9, расположенное на втором конце цилиндрического корпуса 10 магнитного элемента.

В данном варианте осуществления цилиндрический корпус 10 содержит множество магнитных стержней 11, см. фиг. 3, установленных под поверхностью 12 корпуса. Магнитные стержни проходят в продольном направлении корпуса 10 и создают магнитное поле, необходимое для притяжения металлических отходов. Магнитные стержни 11 имеют прямоугольное поперечное сечение, чтобы обеспечить большую магнитную поверхность. В других вариантах осуществления магнитное поле может быть обеспечено магнитом любого типа, пригодным для установки на поверхности или под поверхностью цилиндрического корпуса. Магниты предпочтительно встроены в цилиндрический корпус таким образом, чтобы периферическая поверхность 12 цилиндрического корпуса 10 была гладкой. Концевая часть 13 цилиндрического корпуса 10 сужается ко второму концу 8 корпуса. В этой концевой части 13 магнитное поле в направлении второго конца 8 отсутствует или является слабым, что позволяет сбрасывать металлические отходы в контейнер 6. В данном варианте осуществления магнитные стержни 11 доходят только до той точки, где начинается сужение концевой части 13. Чтобы обеспечить попадание в контейнер всех или большинства металлических отходов, вся концевая часть 13 расположена внутри контейнера для отходов, т.е., ниже первого отверстия 9 контейнера 6 для отходов, когда скважинный инструмент имеет вертикальное положение, как показано на фиг. 2.

Средства 5 генерирования вращения выполнены в виде роторного соплового узла 28. Роторный сопловой узел 28 функционально соединен с магнитным элементом 2, таким образом, указанный элемент вращается вокруг своей центральной оси С (или продольный оси), когда текучие среды выталкиваются через сопла 14, имеющие радиальный наклон. Роторный сопловой узел более подробно показан на фиг. 5 и 6. В данном варианте осуществления магнитный элемент 2 соединен с роторной муфтой 15, поэтому магнитный элемент вращается в спиральном скребке, во время вращения роторной муфты вокруг центральной оси С.Роторная муфта содержит множество сопел 14, сообщающихся по текучей среде со сквозными отверстиями.

Скребок 4 (или первый спиральный продольный элемент) расположен вокруг цилиндрического корпуса 10 соосно с ним. Внутренняя поверхность 16 скребка (т.е., поверхность, обращенная к периферической поверхности 12 цилиндрического корпуса 10) находится на небольшом расстоянии (0,1-0,5 мм) от периферической поверхности 12. Предпочтительное поперечное сечение скребка показано на фиг. 4 (вид А в увеличенном масштабе). Для минимизации опасности застревания металлических отходов между скребком 4 и периферической поверхностью 12 цилиндрического корпуса и, следовательно, создания помех осевому вращению цилиндрического корпуса 10 внутренняя поверхность скребка (т.е., поверхность скребка или продольного элемента, которая обращена к периферической поверхности) имеет наклон от периферической поверхности 12 в направлении первого конца 7 цилиндрического корпуса. Альтернативным решением наклонной внутренней поверхности является подпружиненное ребро, предусмотренное на внутренней поверхности скребка. Пружина прижимает ребро к периферической поверхности, обеспечивая постоянный контакт с ней. Скребок 4 предпочтительно изготавливается из немагнитной нержавеющей стали, в частности, пригодным типом является аустенитная нержавеющая сталь.

Контейнер 6 для отходов имеет цилиндрическую форму и опирается на трубчатый элемент 17 посредством нижней муфты 23 и множества опорных стержней 24. Нижняя муфта 23 контейнера для отходов присоединена к остальной части контейнера для отходов при помощи резьбового соединения. Нижнюю муфту можно легко снять, если требуется опорожнить контейнер для отходов после использования. Кроме того, контейнер для отходов имеет множество сквозных отверстий 25. Эти отверстия позволяют буровому раствору стекать в контейнер, когда скважинный инструмент опускается в ствол скважины, и вытекать из контейнера во время работы в скважине, а также при извлечении скважинного инструмента на поверхность. В месте 29 сопряжения между скребком 4 и кромкой 26 отверстия 9 контейнера для отходов имеется закругленная выемка 27. Эта выемка минимизирует возможность заклинивания металлических отходов между скребком и кромкой контейнера для отходов. Более подробный вид закругленной выемки показан на фиг.7-9. Закругленная выемка 27 имеет краевую поверхность 30 с радиальным наклоном, чтобы дополнительно способствовать направлению металлических отходов в контейнер 6.

В данном варианте осуществления, скважинный инструмент 1 содержит трубчатый элемент 17 (или трубу), который расположен соосно с цилиндрическим корпусом 10, скребок 4 и контейнер 6 для отходов. Трубчатый элемент 17 имеет радиальные сквозные отверстия 18, сообщающиеся по текучей среде с соплами 14 через распределительную камеру 19, образованную между трубчатым элементом 17 и роторной муфтой 15. Роторная муфта соединена с магнитным элементом 2 или цилиндрическим корпусом 10 и установлена в держателе 20, прикрепленном к трубчатому элементу 17. Благодаря применению подшипников любого пригодного типа (не показаны), установленных между роторной муфтой 15, держателем 20 и трубчатым элементом 17, роторная муфта может свободно вращаться вокруг трубчатого элемента, в то время как держатель является неподвижным. Роторный сопловой узел может предпочтительно содержать также средства для управления скоростью вращения. Такие средства, могут подразумевать, например, применение зубчатых передач или смазочных текучих сред с соответствующей вязкостью, и хорошо известны специалистам в данной области техники (см., например, ЕР 1068021 В1). Скребок 4 соединен с держателем 20 болтами 21. При этом во время вращения роторной муфты цилиндрический корпус 10 вращается относительно скребка 4. Во время работы относительное вращательное движение между скребком 4 и цилиндрическим корпусом 10 будет вызывать перемещение металлических отходов, притягиваемых к магнитному элементу и накапливающихся на нем, в контейнер 6 для отходов. Таким образом, напряженность магнитного поля, создаваемого магнитным элементом, не будет ослабевать с течением времени вследствие накапливания металлических отходов, и поэтому до окончания выполнения операции не требуется извлекать скважинный инструмент на поверхность с целью промежуточного сбрасывания/удаления металлических отходов.

За счет использования роторного соплового узла текучую среду, находящуюся под давлением в трубчатом элементе 17, можно использовать для обеспечения вращательного движения цилиндрического корпуса 10 (или магнитного элемента 2). Указанная текучая среда под давлением предпочтительно представляет собой промывочную жидкость или буровой раствор. Трубчатый элемент 2 может быть, например, линейно соединен с буровой трубой или другим оборудованием, соединенным при помощи перехода со скважинной оснасткой, содержащей другие части элементов скважинных инструментов или образующей часть скважинного блока, содержащего другие погружные инструменты или элементы. Скважинный блок может содержать, например, два или более инструментов согласно изобретению, соединенных последовательно друг с другом при помощи соединительных трубчатых элементов. Достоинство применения роторного соплового узла 5 заключается в том, что кроме обеспечения необходимого вращательного движения цилиндрического корпуса 10 струя текучей среды, выходящая из сопла 14, может очищать внутреннюю часть ствола скважины, помогая выбивать из нее металлические отходы. Наряду с радиальным наклоном, который требуется для создания вращательного движения роторного соплового узла, сопла могут быть предпочтительно направлены в сторону от радиальной плоскости (т.е., от плоскости, перпендикулярной центральной оси цилиндрического корпуса), и иметь наклон в направлении контейнера 6 для отходов. Таким образом, по меньшей мере некоторые из отходов, освобождаемых под действием струи текучей среды, выходящей из сопла, направляются к цилиндрическому корпусу 10 в результате эффекта рикошета, который создает указанная струя. Она создает также эффект водоворота, дополнительно помогающий выбивать металлические отходы, например, заклиненные в блоках плашек противовыбросового превентора.

В данном варианте осуществления средства 5 генерирования вращения содержат роторный сопловой узел для обеспечения необходимого вращательного движения магнитного элемента. Однако возможно также применение других устройств, которые обеспечивают вращения. Такие устройства обеспечения вращения включают, например, электрический или гидравлический двигатель. Питание электрического двигателя может осуществляться при помощи силового кабеля (или кабель-троса) или аккумуляторной батареи, в то время как гидравлический двигатель может приводиться в действие при помощи рабочей жидкости, поступающей по шлангу.

В контейнере 6 для отходов предусмотрен уплотнитель, предназначенный для дальнейшего направления или перемещения собранных металлических отходов в контейнер от первого отверстия 9 контейнера для отходов. Уплотнитель представляет собой второй спиральный продольный элемент 22 (или винт), расположенный вокруг трубчатого элемента 17 и соединенный с магнитным элементом на втором конце 8 цилиндрического корпуса 10. При этом указанный второй спиральный продольный элемент 22 вращается вокруг трубчатого элемента в том же направлении, что и цилиндрический корпус 10. В данном варианте осуществления второй спиральный продольный элемент 22 имеет противоположное направление винтовой линии относительно первого спирального продольного элемента (скребка 4), т.е., если первый спиральный продольный элемент является, имеет правую направленность, то второй спиральный продольный элемент имеет левую направленность.

В варианте осуществления, показанном на фиг.1-9, цилиндрический корпус 10 вращается, в то время как окружающий его скребок 4 (или первый спиральный продольный направляющий элемент) является неподвижным, что обеспечивает относительное радиальные перемещение между ними. В других вариантах осуществления относительное радиальное перемещение можно предпочтительно получать при помощи противоположного решения, т.е., вращения скребка вокруг неподвижного цилиндрического корпуса. В таких случаях направление вращения первого и второго спиральных продольных направляющих элементов является одинаковым.

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей отрасли, в частности к устройствам для удаления металлических отходов из ствола скважины. Инструмент содержит магнитный элемент, средства генерирования вращения, блок удаления отходов и контейнер для отходов. Магнитный элемент содержит цилиндрический корпус, имеющий первый конец и второй конец. Блок удаления отходов содержит первый спиральный продольный направляющий элемент, установленный вокруг цилиндрического корпуса. Средства генерирования вращения функционально соединены с цилиндрическим корпусом или первым спиральным продольным направляющим элементом. Контейнер для отходов имеет первое отверстие, расположенное на втором конце цилиндрического корпуса. Цилиндрический корпус или первый спиральный продольный направляющий элемент установлен с возможностью вращения вокруг его центральной оси и выполнен таким образом, чтобы металлические отходы, накапливающиеся на цилиндрическом корпусе при его применении, направлялись первым спиральным продольным направляющим элементом к первому отверстию контейнера для отходов при работе средств генерирования вращения. Повышается эффективность очистки, снижаются временные затраты. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Скважинный инструмент (1) для удаления металлических отходов из ствола скважины, содержащий магнитный элемент (2), средства (5) генерирования вращения, блок (3) удаления отходов и контейнер (6) для отходов, причем

- магнитный элемент содержит цилиндрический корпус (10), имеющий первый конец (7) и второй конец (8);

- блок (3) удаления отходов содержит первый спиральный продольный направляющий элемент (4), расположенный вокруг цилиндрического корпуса;

- средства (5) генерирования вращения функционально соединены с цилиндрическим корпусом или первым спиральным продольным направляющим элементом;

- контейнер (6) для отходов имеет первое отверстие (9), расположенное на втором конце (8) цилиндрического корпуса,

причем

цилиндрический корпус (10) или первый спиральный продольный направляющий элемент (4) установлен с возможностью вращения вокруг его центральной оси (С) и выполнен таким образом, чтобы металлические отходы, накапливающиеся на цилиндрическом корпусе во время использования, направлялись первым спиральным продольным направляющим элементом к первому отверстию (9) контейнера для отходов при работе средств генерирования вращения.

2. Скважинный инструмент по п. 1, в котором средства генерирования вращения содержат по меньшей мере одно из следующего: электрический двигатель, гидравлический двигатель и роторный сопловой узел (28).

3. Скважинный инструмент по п. 1 или 2, содержащий соединительный конец (31), дальний от контейнера для отходов и подходящий для соединения скважинного инструмента с канатом, силовым кабелем, кабель-тросом, скважинной колонной труб, буровой трубой или колонной гибких труб.

4. Скважинный инструмент по любому из пп. 1-3, содержащий трубчатый элемент (17), установленный соосно с центральной осью (С) цилиндрического корпуса (10) и проходящий через цилиндрический корпус и контейнер (6) для отходов.

5. Скважинный инструмент по п. 4, в котором средства генерирования вращения содержат роторный сопловой узел (28), а трубчатый элемент содержит радиальные сквозные отверстия (18), сообщающиеся по текучей среде с соплами (14) роторного соплового узла (28).

6. Скважинный инструмент по п. 4 или 5, в котором трубчатый элемент (17) выполнен с возможностью соединения с колонной, трубой или колонной гибких труб, например с буровой трубой.

7. Скважинный инструмент по любому из пп. 1-6, содержащий второй спиральный продольный направляющий элемент (22), функционально соединенный со средствами (5) генерирования вращения и расположенный в контейнере (6) для отходов, при этом направленность винтовой линии второго спирального продольного направляющего элемента (22) выполнена таким образом, чтобы металлические отходы, направляемые первым спиральным продольным направляющим элементом (4) к первому отверстию (9) контейнера (6) для отходов, были далее направлены в контейнер для отходов вторым спиральным продольным направляющим элементом (22) при работе средств (5) генерирования вращения.

8. Скважинный инструмент по одному из пп. 2-7, в котором роторный сопловой узел содержит сопла (14), направленные под углом к плоскости, перпендикулярной центральной оси цилиндрического корпуса, и имеющие наклон в направлении контейнера для отходов.

9. Скважинный инструмент по любому из пп. 1-8, в котором цилиндрический корпус (10) содержит концевую часть (13), которая сужается ко второму концу (8).

10. Скважинный инструмент по любому из пп. 1-9, в котором первое отверстие (9) контейнера (6) для отходов имеет кромку (26), содержащую закругленную выемку (27) в месте сопряжения (29) между первым спиральным продольным направляющим элементом (4) и указанной кромкой (26).

11. Скважинный инструмент по любому из пп. 1-10, в котором контейнер (6) для отходов имеет цилиндрическую форму, при этом центральная ось контейнера для отходов совпадает с центральной осью (С) цилиндрического корпуса магнитного элемента.

12. Скважинный инструмент по любому из пп. 1-11, в котором средства (5) генерирования вращения установлены на первом конце цилиндрического корпуса магнитного элемента.

13. Применение скважинного инструмента по любому из пп. 1-12 для удаления металлических отходов из источника текучей среды.