УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН ОТ ШЛАМА
DEVICE FOR CLEANING DIRECTIONAL AND HORIZONTAL WELLBORES FROM SLIME

Изобретение относится к устройствам для повышения качества очистки наклонно-направленных и горизонтальных стволов скважин от шлама в процессе бурения на суше и море.
Из предшествующего уровня техники известно изобретение (Пат. RU 2178058, МПК Е21В 21/00. Лопастное колесо для удаления бурового шлама (варианты) / Джордж Свитлик. Заявл. 17.06.1997, опубл. 10.06.1999. - 5 с.), в составе которого имеется корпус и множество лопастей, выступающих от корпуса, одна или несколько лопастей имеет выемку на ее передней поверхности в направлении вращения лопастного колеса. Выемка на каждой лопасти действует в качестве "ковша" для подъема бурового шлама и твердых частиц из нижней части буровой скважины в главный поток буровой жидкости в верхней части буровой скважины.
Известно устройство (Пат. RU 2160818, МПК Е21В 21/00. Устройство для очистки скважин от шлама / Горшков Л.К., Слюсарев Н.И., Прокопенко B.C. и др. Заявл. 19.04.1999, опубл. 20.12.2000. - 3 с.), в составе которого имеются невращающиеся бурильные трубы, долото, забойный двигатель и центраторы с лопастями, расположенными под острым углом к оси бурильных труб. Устройство снабжено турбинами, установленными за центраторами с возможностью вращения вокруг своих продольных осей под действием потока промывочной жидкости, что обеспечивает принудительное механическое перемешивание промывочной жидкости с одновременным приданием потоку вращательно-поступательного движения и периодическим изменением угла закручивания потока с последующим направлением частиц шлама в область повышенных затрубных скоростей.
Известно устройство (Пат. RU 2119042, МПК Е21В 37/00, Е21В 21/00. Устройство для очистки забоя скважины от осадконакоплений / Корнев Б.П., Никифоров С.Н., Айнетдинов И.А.-К. и др. Заявл. 27.12.1996, опубл. 20.09.1998. - 4 с.), состоящее из колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), подвешенной в скважине на талевой системе подъемного механизма. В верхней части колонны насосно-компрессорных труб имеются тройник с гибким шлангом и устьевой сальник. В нижней части колонны НКТ расположен откачивающий узел. Устройство снабжено хвостовиком с долотом на его нижнем конце, шламонакопителем, расположенным над долотом. В предложенном изобретении решается задача увеличения эффективности очистки забоя скважины от осадконакоплений путем предотвращения загрязнений призабойной зоны жидкостью, содержащей продукты разрушения осадконакоплений.
5
5
Известно устройство (Пат. RU 2026485, МПК Е21В 21/00. Устройство для промывки забоя скважины / Зверев А.С., Артамонов В.Ю., Крупин В.В. Заявл. 20.12.1990, опубл. 09.01.1995. - 4 с.). Также известны изобретения (Пат. 203,184 США, Int.Cl. Е21В 17/18; U.S.Cl. 175/215, 175/215, 320, 61, 314.) и Пат. 7,882,903 В2 США, Int. Cl. Е21В 21/00; U.S.Cl. 175/65; 175/207. Cuttings Bed Removal Tool / Robert Barnett - №11/752,052; заяв. 22.05.2007, опубл. 06.12.2007, 11 p.). Устройства предназначены для удаления шламовых подушек в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах, в которых создаются осложненные условия для выноса выбуренной породы в связи с оседанием шлама вдоль нижней стенки трубы, вызывая осложнения.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в необходимости создания устройства, которое бы позволяло поддерживать высокий уровень очистки скважины в отсутствие вращения бурильной колонны (далее БК) и создавало более благоприятные условия для беспрепятственной транспортировки шлама на поверхность. Основным положительным эффектом, который можно достичь, используя предлагаемое устройство - удаление шламовых подушек, которые образуются в скважине при возрастании зенитных углов наклона.
Для решения указанной задачи предложено устройство для очистки наклонно-направленных и горизонтальных стволов скважин от шлама, включающее толстостенную бурильную трубу (далее ТБТ) 1, имеющую входные 8 и выходные 9 отверстия, располагающиеся под восходящим и нисходящим углами соответственно, при этом в области входных отверстий 8 в ТБТ 1 выполнена канавка 13 для размещения подшипников 4, которые устанавливаются после надевания вращающейся втулки 2 на ТБТ 1 и выполняют роль запорного подшипника, причем часть вращающейся втулки 2 имеет гладкую поверхность, а на другой части смонтированы лопасти 5, которые не выступают за пределы рабочего диаметра ТБТ 1, устройство также включает турбинные секции 3, часть из которых жестко соединена с вращающейся втулкой 2, а другая часть закреплена на теле ТБТ 1, и которые выполняют роль ротора и статора соответственно, один конец ТБТ 1 имеет муфтовое соединение 12 для свинчивания с предыдущей бурильной трубой, а другой конец - ниппельное соединение 11 для свинчивания с переводником 7, который в то же время является фиксирующим элементом для вращающейся втулки 2, с лопастями 5, при этом устройство выполнено с возможностью частичного отвода потока бурового раствора во входные отверстия 8 для взаимодействия с турбинными секциями 3, приводя их и вращающуюся втулку 2 в движение. Причем турбинные секции 3 крепятся на вращающейся втулке 2 и ТБТ 1 с помощью шлицевых соединений. Вращающаяся втулка 2 выполнена из того же материала, что и ТБТ 1.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 - принципиальная схема устройства для очистки наклонно-направленных и горизонтальных стволов скважин от шлама.
На фиг. - 2 наглядная схема работы устройства.
На фиг. 3 - внешний вид устройства.
За основу устройства была взята толстостенная бурильная труба ТБТ 1, имеющая входные 8 и выходные 9 отверстия, располагающиеся под восходящим и нисходящим углами соответственно. Отверстия 8, 9 высверливаются в теле ТБТ 1 непосредственно после ее изготовления под углом. С одного конца труба имеет муфтовое соединение 12 для свинчивания с предыдущей бурильной трубой, с другого - ниппельное соединение 11 для свинчивания с переводником 7, который в то же время является фиксирующим элементом для вращающейся втулки 2 с лопастями 5. В области входных отверстий 8 в ТБТ 1 сделана канавка 13, которая предназначена для размещения подшипников 4, которые устанавливаются после надевания вращающейся втулки 2 на ТБТ 1 и выполняют роль запорного подшипника.
Устройство также включает турбинные секции 3, часть из которых жестко соединяется с вращающейся втулкой 2, а другая часть закрепляется на теле ТБТ 1, и выполняют роль ротора и статора соответственно, как на традиционных турбобурах. Турбинные секции 3 могут закрепляться на вращающейся втулке 2 и ТБТ 1 с использованием шлицевых соединений, или при помощи других способов.
Вращающаяся втулка 2 выполняется из того же материала, что и ТБТ 1, в соответствии с необходимым запасом прочности и ориентировочным количеством шлама в скважине. Часть вращающейся втулки 2 имеет гладкую поверхность, а на другой части монтируются лопасти 5 особой формы. Лопасти могут иметь множество различных форм, однако должны обладать той особенностью, что в отсутствие расположенных вблизи стабилизаторов и центраторов, которые используются для уменьшения площади контакта бурильной колонны (БК) со стенками скважины, не выступают за пределы рабочего диаметра толстостенной бурильной трубы 1.
После установки на ТБТ 1 необходимого числа турбинных секций 3 и вращающейся втулки 2 с лопастями 5 производят монтаж подшипника качения 6. В зависимости от испытываемых нагрузок при работе вращающаяся втулка 2 может быть снабжена и роликовыми подшипниками в требуемом количестве.
Для фиксации конструкции используется переводник 7, имеющий наружный диаметр, равный диаметру используемой ТБТ 1. Муфтовая часть переводника 7 соединяется с ниппелем 11 ТБТ 1, а ниппельной частью 10 переводник свинчивается с БК.
Канавки 13 и 14 могут быть использованы в качестве масляных ванн, в которые под давлением закачивается смазка. Роль ограничителя вытекания смазки из масляных ванн играют специальные уплотнительные элементы 15 и 16. Другой вариант устройства предполагает использование вместо масляных ванн и уплотнительных элементов специального покрытия PDC (Polycristalline Diamond Composite, или Стратопакс), которое позволяет ввести в соприкосновение две поверхности без нанесения смазочного материала. То же покрытие планируется нанести и на торцевые части ТБТ 1 и переводника 7, т.к. вращающаяся втулка 2 также соприкасается и с ними.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Устройство включается в колонну бурильных труб в том месте, где по некоторым расчетам ожидается выпадение частичек бурового шлама из области высоких скоростей потока промывочной жидкости, в результате чего происходит образование шламовой подушки. После того как устройство установлено в колонне бурильных труб, бурение проводится обычным способом, т.е. буровой раствор, нагнетаемый под большим давлением в БК, проходит через все элементы компоновки, выходит через насадки долота и вытекает через затрубное пространство между стенкой скважины и наружной поверхностью бурильных труб. При этом вместе с буровым раствором за счет наличия в нем реологических свойств происходит вынос обломков выбуренной породы.
Поток бурового раствора, проходя участок 18 бурильных труб с устройством, частично отводится по входным отверстиям 8, взаимодействует с турбинными секциями 3, заставляя их вращаться, как показано в 21, и приводит в движение вращающуюся втулку 2. В свою очередь лопасти 5, смонтированные на вращающейся втулке 2, начинают взаимодействовать со шламовой подушкой и с потоком бурового раствора в затрубном пространстве. Результирующий эффект взаимодействия рабочих лопастей со шламовой подушкой будет проявляться во взрыхлении шлама и поднятии его в область повышенных скоростей циркуляции, откуда он сможет быть без труда вынесен на поверхность.
Буровой раствор, сработав в турбинной секции 3, выводится через выходные отверстия 9 и вновь соединяется с потоком в области 19. Подразумевается, что количество турбинных секций 3 должно подбираться с условием ожидаемой высоты шламовой подушки и ожидаемым сопротивлением при вращении втулки 2 с лопастями 5. Аналогичным образом должна быть рассчитана и подача насосов, чтобы мощности насосов хватало для обеспечения гидравлической энергией как предлагаемого устройства, так и входящих в состав компоновки бурильной колонны других устройств.
Вращение лопастей 5 должно производиться по часовой стрелке, то есть в сторону движения долота, для исключения случаев отвинчивания резьбовых соединений.
После соединения отработавшей промывочной жидкости с основным потоком буровой раствор движется далее по направлению 20 в сторону породоразрушающего инструмента.
Изобретение позволяет поддерживать высокий уровень очистки скважины при взаимодействии вращающихся лопастей со шламом, поднимая его в область повышенных скоростей циркуляции, а также позволяет создавать более благоприятные условия для беспрепятственной транспортировки шлама на поверхность. Вращающиеся лопасти взмучивают шлам и поднимают его в область высоких скоростей циркуляции, и впоследствии он сможет быть вынесен до поверхности. Вращение втулки с лопастями оказывает воздействие на поток, приводя к образованию зоны турбулентного течения, которое является крайне приемлемым для беспрепятственного выноса шлама из скважины.