Устройство для нормализации ствола скважин и способ его работы Российский патент 2023 года по МПК E21B37/00 

Группа изобретений относится к области нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам и способам для добычи нефти, и может быть использована при разработке нефтяных месторождений для нормализации забоя скважин, осложненной проппантовыми корками, посторонними предметами или наличием цементных мостов за одну спуско-подъемную операцию, а именно к устройству для нормализации ствола скважин и фрезерования цементных мостов и способу его работы.

Известен патент на изобретение RU №276997 «Способ и устройство для очистки забоя скважины» (заявка № 2021132475 от 08.11.2021, опубл. 29.07.2022, бюл. 22).

Изобретение относится к добыче нефти, в частности к внутрискважинным операциям при капитальном и текущем ремонте скважин, и может быть применено в операциях очистки и восстановления забоя скважин с использованием винтовых забойных двигателей совместно с разбуривающим инструментом.

Винтовой забойный двигатель предназначен для разрушения песчаных пробок, цементных мостов, солевых отложений и представляет собой гидравлический забойный двигатель объемного типа, многозаходные рабочие органы которого приводятся в действие за счет энергии промывочной жидкости. Такой двигатель обладает высоким КПД и необходимой жесткостью винтовых зубьев, что обеспечивает эффективность проведения работ. Кроме того, охлаждение резиновой обкладки статора буровым раствором позволяет увеличить эксплуатационный срок службы механизма без потери его качественных и рабочих характеристик. В связи с тем, что винтовой забойный двигатель является приводным механизмом, он не задействован в процессах извлечения скважинного материала, так как жидкость в двигатель, как правило, подается по НКТ, посредством прямой циркуляции. Для промывки забоя с целью выноса разбуренного шлама используют нагнетание жидкости по затрубному пространству, формируя обратную циркуляцию для подъема механических примесей по НКТ. В таких случаях очистку скважины разделяют как минимум на две спускоподъемные операции: первая - разбуривание с забойным двигателем и разбуривающим инструментом, вторая - обратная промывка для удаления разбуренных частиц пробки из скважины. Таким образом, при попытке оптимизации процесса очистки скважины за одну спускоподъемную операцию и присутствии забойного двигателя в скважине во время обратной промывки возникает проблема его засорения и выхода из строя, особенно в условиях очистки продолжительных интервалов, при которых проходку инструментом и очистку скважины циклическим разбуриванием и промывкой производят многократно.

Недостатками известного устройства является: отсутствие возможности прямой промывки без фрезерования, фрезерующий инструмент не эффективен при обратной промывке, нет возможности проведения закачек кислот и иных химических веществ через устройство. Для безопасной работы устройства требуется 3 режима работы:

1) прямая промывка, прямая промывка с фрезерованием, обратная промывка. Три режима работы устройства позволяют обеспечить полный цикл работ с внутрискважинным оборудованием, в том числе и закачку и вымыв кислот. Наличие обратного клапана не позволяет производить полный цикл работ;

2) фрезерующий элемент специальной конструкции должен использоваться при проведении работ с устройством, должен быть снабжен разбуриваемой перемычкой для разрушения уплотнений и проппантовых элементов в скважине с кольцевым вооружением. Именно конструкция фреза не позволяет производить засорение промывочного канала ВЗД;

3) при применении устройства используется дополнительный ловитель блокирующего элемента (шара), который устанавливается под рабочую трубу и фиксирует блокирующий элемент (шар) при обратной промывке, а также обеспечивает рабочий доступ к элементу в случае засорения и нарушения потока обратной жидкости.

Что доказывает один из основных минусов технологии - невозможность создания достаточного обратного потока жидкости для выноса разбуриваемых частиц ввиду поглощения жидкости пластом.

Для решения данной задачи необходимо произвести прямую подачу гелеобразователя на основе гуаровой камеди с целью кольматации поглощающего участка пласта и как следствие достижения оптимального потока жидкости при создании обратной промывки.

Задачей заявляемого технического решения является создание многофункционального простого устройства и увеличение его функциональности, снижением аварийности при эксплуатации.

Техническим результатом является разработка многоцикличного, безопасного устройства, позволяющего проводить нормализацию скважины с наличием проппантовых корок и цементных мостов с возможностью проведения 3 режимов работы (прямая промывка, прямая промывка с фрезерованием, обратная промывка), а также обеспечивающего возможность эффективной работы на скважинах с низким пластовым давлением с одновременным сокращение времени, которое затрачено на выполнение нормализации, и повышение эффективности в наклонно-направленных, горизонтальных скважинах.

Технический результат достигается за счет устройства для нормализации забоя, в котором на колонне насосно-компрессорных труб расположен винтовой забойный двигатель с центральным проходным каналом и фрезой на шпиндельной секции, на устье внутри насосно-компрессорных труб установлен ловитель блокирующего элемента (шара), помещенный в полость колонны насосно-компрессорных труб с упором на муфту, при этом винтовой забойный двигатель содержит байпасный узел, выполненный с возможностью прохода потока жидкости через внутренние полости насосно-компрессорных труб, шпиндель выполнен с проходным отверстием, корпус камеры выполнен с расположенными в ней удерживающими металлическими планками, при этом поперечная планка с наплавками расположена диагонально без упора на внутреннюю полость фреза. Способ работы устройства нормализации забоя характеризуется тем, что жидкость проходит через центральный канал и фрез, производится сброс блокирующего элемента, который по диаметру больше посадочного седла, затем промывочная жидкость проходит через полость ротора и статора вращая фрез, после подачи жидкости в насосно-компрессорных труб она останавливается, и подается в затрубное пространство с выносом продуктов фрезерования через внутреннюю полость насосно-компрессорных труб.

Устройство для проведения нормализации скважин поясняется чертежами, а именно фигурами 1-11, из которых отчетливо видны все соединения деталей устройства.

На фиг. 1 представлена двигательная секция в разрезе винтового забойного двигателя.

На фиг. 2 представлена шпиндельная секция в разрезе винтового забойного двигателя.

На фиг. 3 представлена двигательная секция с визуальным отображением направления потока жидкости при прямой циркуляции без вращения ротора и шпинделя.

На фиг. 4 представлена шпиндельная секция с визуальным отображением направления потока жидкости при прямой циркуляции без вращения ротора и шпинделя.

На фиг. 5 представлена двигательная секция с визуальным отображением направления потока жидкости при создании вращения ротора и шпинделя.

На фиг. 6 представлена шпиндельная секция с визуальным отображением направления потока жидкости при создании вращения ротора и шпинделя.

На фиг. 7 представлена шпиндельная секция с визуальным отображением направления потока жидкости при обратной циркуляции.

На фиг. 8 представлена двигательная секция с визуальным отображением направления потока жидкости и блокирующего элемента при обратной циркуляции.

На фиг. 9 представлен ловитель блокирующего элемента, позволяющий при проведении обратной промывки фиксировать и удерживать блокирующий элемент и обеспечивающий легкий доступ к блокирующему элементу для организации дальнейших работ.

На фиг. 10 представлена схема вооружения специального фреза для работы с устройством.

На фиг. 11 представлена схема устройства в сборе, позволяющего осуществлять полный функционал. Устройство для нормализации забоя представляет собой смонтированый на НКТ винтовой забойный двигатель, основными элементами которого являются: винтовой забойный двигатель с центральным проходным каналом (35) и фрезой специальной конструкции (30) на шпиндельной секции (16). На устье внутрь НКТ устанавливается ловитель блокирующего элемента (шара) (37). Ловитель блокирующего элемента (шара) (37) представляет собой единую конструкцию, отраженную на фиг. 9

На чертежах обозначены 37 позиций:

1 - верхний переводник;

2 - внутренняя коническая резьба;

3 - отверстие;

4 - резьбовое соединение;

5 - статор;

6 - эластомерная вставка;

7 - ротор;

8 - проходное отверстие;

9 - посадочное седло;

10 - сквозное отверстие;

11 - блокирующий элемент (шар);

12 - разъемное соединение;

13 - средний переводник с отверстием;

14 - цилиндрическая деталь;

15 - коническое резьбовое соединение;

16 - шпиндель;

17 - цилиндрический корпус;

18 - цилиндрическая заглушка;

19 - проходное отверстие цилиндрической детали;

20 - выступ;

21 - осевые подшипники;

22 - радиальные подшипники;

23 - нижний переводник;

24 - проходное отверстие в шпинделе;

25 - проходное отверстие в нижнем переводнике;

26 - удерживающие металлические планки;

27 - металлическая втулка;

28 - металлический переводник для упора на муфту;

29 - корпус камеры с расположенными в ней металлическими планками;

30 - корпус кольцевого фреза;

31 - внутренняя полость фреза;

32 - фрезерующие наплавки кольцевого фреза;

33 - поперечная планка с наплавками;

34 - отверстие для проведения промывок;

35 - центральный проходной канал;

36 - полость ротора и статора;

37 - корпус ловителя блокирующего элемента (шара).

При проведении работ по нормализации забоя винтовой забойный двигатель спускается в скважину на трубах НКТ, закрепленный путем свинчивания и обеспечивающий гидравлическую связь. В трубы НКТ производится подача жидкости в, жидкость проходит через центральный канал (35), при этом фрез (30) не вращается. При необходимости производится сброс блокирующего элемента (шара) (11), который по диаметру больше посадочного седла (9), и промывочная жидкость проходит через полость ротора и статора (36) вращая фрез (30). По результату подача жидкости в НКТ останавливается, и подается в затрубное пространство с выносом продуктов фрезерования через внутреннюю полость НКТ, блокирующий элемент (шар) (11) при этом поднимается и фиксируется в ловителе блокирующего элемента (шара) (37). При необходимости повторной активации ловителя блокирующего элемента (шар) (37) демонтируется, блокирующий элемент (шар) (11) извлекается и сбрасывается в НКТ для активации. Ловитель блокирующего элемента (шара) (37) устанавливается на муфтовое соединение лифта НКТ и рабочей трубы на устье скважины. При установленном ловителе обеспечивается герметичность НКТ.

Устройство для проведения нормализации забоя содержит последовательно смонтированные на колонне насосно-компрессорных труб (далее - НКТ) сверху вниз следующие основные узлы: винтовой забойный двигатель с переводниками для крепления к колонне насосно-компрессорных труб, крепление фреза к шпинделю.

Конструкция винтового забойного двигателя (далее - ВЗД) изменена, добавлен байпасный узел обеспечивающий беспрепятственный поток жидкости через внутренние полости НКТ, ВЗД, фреза. При сбрасывании блокирующего элемента (шара) в колонну НКТ - перекрывается прямой поток жидкости, инициируя ее движение через полость ротора и статора, что приводит в движение шпиндель с фрезом. Производится фрезерование посторонних предметов, цементных мостов в стволе скважины. При подаче жидкости в затрубное пространство с выходом через колонну НКТ (обратная промывка) блокирующий элемент (шар) извлекается из посадочного места и потоком жидкости транспортируется до ловителя блокирующего элемента (шара). На устье скважины в районе рабочей трубы внутри НКТ расположен ловитель блокирующего элемента (шара) для улавливания блокирующего элемента (шара) при режиме работы обратной промывки. При процессе обратной промывки производится вынос продуктов фрезерования, посторонних частиц из скважины.

Фигуры 1- 8: 1 - верхний переводник для крепления к колонне НКТ посредством резьбы (2), 2 - внутренняя коническая резьба, 3 - отверстие для осуществления гидравлической связи с ВЗД и колонной НКТ, 4 - резьбовое соединение для крепления и обеспечения гидравлической связи между переводником (1) и устройством ВЗД, 5 - статор для передачи энергии потока жидкости между статором (5) и ротором (7) во вращательное действие, 6 - эластомерная вставка для увеличения эффективности крутящего момента фреза (30) при проходе жидкости между статором (5) и ротором (7), 7 - ротор - вращающий элемент, передающий энергию проходящей жидкости через статор (5) и ротор (7) на фрез (30), 8 - проходное отверстие для осуществления гидравлической связи между НКТ и полостью кольцевого фреза (31), 9 - посадочное седло с отверстием диаметром менее блокирующего элемента (шара) (11), 10 - сквозное отверстие - для осуществления гидравлической связи между ротором (5) и статором (7) при установленном блокирующем устройстве (шаре) (11), 11 - блокирующий элемент - шар диаметром больше сквозного отверстия (10) для прерывания потока жидкости через проходное отверстие (8), 12 - разъемное соединение для крепления переводника (13) с проходным отверстием (14), 13 - средний переводник с отверстием (14), 14 - цилиндрическая деталь соединения посредством резьбы (15) с секцией подшипников (21-22), 15 - коническое резьбовое соединение, 16 - шпиндель - вращающийся элемент конструкции, приводимый в действие потоком жидкости через ротор (5) и статор (7) на который крепится кольцевой фрез (30), 17 - цилиндрические корпусы, обеспечивающие герметичность устройства (1-34), 18 - цилиндрическая заглушка, так же обеспечивающая герметичность, 19 - проходное отверстие цилиндрической детали (14) для осуществления гидравлической связи всех элементов устройства (91-34) и помещения блокирующего устройства (шара) (11) в посадочное седло (9), 20 - выступ, 21 - осевые подшипники, 22 - радиальные подшипники для скольжения и облегчения вращения элементов шпинделя (16), 23 - нижний переводник для крепления фреза (30) к шпинделю (16), 24 - проходное отверстие в шпинделе (16) для осуществления гидравлической связи между НКТ и фрезом (30), 25 - проходное отверстие в нижнем переводнике (23), проходное отверстие в шпинделе (24), корпус ловителя блокирующего элемента (шара) (37) для установки в колонну НКТ и удержания блокирующего элемента (шара) (11) крепятся посредством планок (плашек) (26), 26 - удерживающие металлические планки, 27 - металлическая втулка, обеспечивающая фиксацию блокирующего элемента (11), не препятствующая потоку жидкости, 11 - блокирующий элемент в корпусе (24), 28 - металлический переводник для упора на муфту НКТ диаметром больше внутреннего сечения трубы НКТ и меньше диаметра внутреннего сечения муфты НКТ, 29 - корпус камеры с расположенными в ней металлическими планками (26), 30 - корпус кольцевого фреза, 31 - внутренняя полость фреза, 32 - фрезерующие наплавки кольцевого фреза, 33 - поперечная планка с наплавками (32), расположенная диагонально без упора на внутреннюю полость фреза, 34 - отверстие для проведения промывок и извлечения посторонних предметов из скважины.

Устройство для проведения нормализации забоя содержит последовательно смонтированные на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) сверху вниз следующие основные узлы: винтовой забойный двигатель (1-23), фрез – (30-34). На устье скважины в районе рабочей трубы внутри НКТ расположен ловитель блокирующего элемента (шара) (11,26-29,37).

ВЗД состоит из 1 - верхнего переводника, 2 - внутренней конической резьбы, 3 - отверстия, 4 - резьбового соединения, 5 - статора, 6 - эластомерной вставки, 7 - ротора, 8 - проходного отверстия, 9 - посадочного седла, 10 - сквозного отверстия, 11 - блокирующего элемента (шара), 12 - разъемного соединения, 13 - среднего переводника с отверстием, 14 - цилиндрической детали, 15 - конического резьбового соединения, 16 - шпинделя, 17 - цилиндрических корпусов, 18 - цилиндрической заглушки, 19 - проходного отверстия цилиндрической детали 14, 20 - выступа, 21 - осевого подшипника, 22 - радиального подшипника, 23 - нижнего переводника, 24 - проходного отверстия в шпинделе 16, 25 - проходного отверстия в нижнем переводнике 23. Снизу устанавливается кольцевой фрез (поясняется позициями 30-34).

Узлы устройства соединены резьбовым соединением согласно ГОСТ 633-80, что обеспечивает гидравлическую связь между узлами устройства, и позволяет беспрепятственно осуществлять обработку пластов. Внутренние полости узлов устройства сообщаются и образуют единый канал.

Устройство для проведения нормализации забоя работает следующим образом.

Устройство для проведения нормализации забоя монтируют на устье скважины, соединив с колонной НКТ. Осуществляют спуск устройства для проведения нормализации забоя в скважину на колонне НКТ до получения разгрузки инструмента и снижением веса НКТ.

Через колонну НКТ осуществляется подача рабочей смеси во внутреннюю полость устройства. Рабочая жидкость проходит через винтовой забойный двигатель по расположенному в нем отверстию (19, 25), проходит через отверстие в фрезе (34). При этом производится размыв и вынос проппанта через затрубное пространство скважины. При отсутствии эффективности процесса нормализации осуществляется активация винтового забойного двигателя блокирующим элементом (шаром) (11). Для этого: на устье скважины в колонну НКТ вставляется ловитель блокирующего элемента (шар) (11,25-29,37). Ловитель блокирующего элемента (шара) помещается в полость НКТ с упором на муфту НКТ. Сбрасывается блокирующий элемент (шар) (11) и доводиться путем закачки жидкости по НКТ до посадочного седла (9). Закачиваемая жидкость поступает через зону ротора и статора (10) приводя в движение фрез и производя вращательные движения фреза (30-34). Крупные частицы при этом измельчаются вращательными движениями фреза (30,34) с поперечной планкой (33).

По факту фрезерования производится остановка подачи жидкости по НКТ, производится подача жидкости по затрубному пространству скважины. Блокирующий элемент (шар) (11) при этом деактивируется и выносится потоком жидкости на устье, где попадает в ловитель блокирующего элемента (шара) (поясняется позициями 26-29,37) и удерживается в нем, не создавая помех для выноса проппанта и скважинных продуктов. Скважина очищается процессом закачки жидкости в затрубное пространство и выносом посторонних частиц и проппанта внутри полости ВЗД (19,26), отверстия фрезе (34).

При необходимости повторного фрезерования посторонних предметов в скважине или проппантовой корки, производится повторная активация винтового забойного двигателя блокирующим элементом (шаром) (11), предварительно извлекая его из ловителя блокирующего элемента (шара) (что ясно из позиций 26-29,37), и направив подачу жидкости в НКТ.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет обеспечить эффективное безопасное проведение работ по нормализации забоя скважины в рамках одной спуско-подъемной операции за счет создания простого устройства, обеспечивающего увеличение срока эксплуатации и сокращения времени на выполнение фрезерования и промывки нескольких участков скважины, требующих очистки. Снижает риски аварийности вследствие засорения промывочного канала крупными частицами. Позволяет через промывочный канал, не воздействуя на эластомер винтового забойного двигателя, производить закачку на пласт кислот, гелеобразователя или иных жидкостей для увеличения эффективности промывок и, впоследствии, увеличения коэффициента извлечения скважинного флюида.

Группа изобретений относится к устройству для нормализации ствола скважин и способу его работы. Устройство для нормализации забоя включает последовательно установленные сверху вниз винтовой забойный двигатель с центральным проходным каналом, шпиндельную секцию с проходным отверстием и фрез. Винтовой забойный двигатель содержит байпасный узел, включающий посадочное седло, выполненное с возможностью обеспечения прохода потока жидкости в центральный проходной канал винтового забойного двигателя, а при сбрасывании шара его перекрытия и инициирования движения потока жидкости через полость между ротором и статором, приводя в движение шпиндельную секцию с фрезом. Устройство содержит колонну насосно-компрессорных труб (НКТ), к которой присоединяется винтовой забойный двигатель, а также устанавливаемый на устье в полость колонны НКТ с упором на муфту при обратной промывке ловитель шара и выполненный с возможностью демонтажа при прямой промывке. Корпус камеры ловителя шара выполнен с расположенными в ней удерживающими шар при обратной промывке металлическими планками, а фрез выполнен с поперечной планкой с наплавками, расположенной диагонально без упора на внутреннюю полость фреза. Обеспечивается возможность эффективной работы на скважинах с низким пластовым давлением с одновременным сокращением времени на выполнение нормализации и повышением эффективности в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для нормализации забоя, включающее последовательно установленные сверху вниз винтовой забойный двигатель с центральным проходным каналом, шпиндельную секцию с проходным отверстием и фрез, причем винтовой забойный двигатель содержит байпасный узел, включающий посадочное седло, выполненное с возможностью обеспечения прохода потока жидкости в центральный проходной канал винтового забойного двигателя, а при сбрасывании шара его перекрытия и инициирования движения потока жидкости через полость между ротором и статором, приводя в движение шпиндельную секцию с фрезом, отличающееся тем, что содержит колонну насосно-компрессорных труб, к которой присоединяется винтовой забойный двигатель, а также устанавливаемый на устье в полость колонны насосно-компрессорных труб с упором на муфту при обратной промывке ловитель шара и выполненный с возможностью демонтажа при прямой промывке, при этом корпус камеры ловителя шара выполнен с расположенными в ней удерживающими шар при обратной промывке металлическими планками, а фрез выполнен с поперечной планкой с наплавками, расположенной диагонально без упора на внутреннюю полость фреза.

2. Способ работы устройства нормализации забоя по п. 1, отличающийся тем, что при прямой промывке промывочная жидкость проходит через центральный проходной канал винтового забойного двигателя, проходное отверстие шпиндельной секции и фрез, при отсутствии эффективности процесса нормализации производят сброс шара, диаметр которого больше диаметра отверстия посадочного седла, при этом промывочная жидкость поступает через полость между ротором и статором, приводя во вращение фрез, затем подачу жидкости в насосно-компрессорные трубы останавливают и подают в затрубное пространство с выносом продуктов фрезерования через внутреннюю полость шпиндельной секции и ротора забойного двигателя, а также насосно-компрессорных труб, при этом шар поднимается и фиксируется в ловителе металлическими планками.