Скважинный гидробур

Наиболее близким по достигаемому техническому результату является скважинный гидробур, полезная модель RU № 20922 Е21В 7/18. Скважинный гидробур содержит корпус, выполпенный с внутренней подвижной частью с приводом вращения и герметизирующими уплотнениями, между корпусом и внутренней подвижной частью, при этом привод вращения выполнен в виде гидротурбины, укрепленной на верхнем конце внутренней подвижной части, гидромониторные насадки установлены тангенциально на ее нижнем конце, по ее центральной оси установлена дополнительная гидромониторная насадка, а тангенциально установленные насадки расположены под острым углом к ее центральной оси внутренней подвижной части. Гидромониторные насадки выполнены подвижными в осевом направлении и подпружинены в направлении выхода водяных струй.
Данная конструкция не позволяет увеличить крутящий момент гидродолота скважинного гидробура, что влечет за собой недостаточное использование энергии жидкостного потока и снижение скорости проходки мостов и стаканов в обсаженных эксплуатационными колоннами скважинах из цемента повыщенной прочности и горных пород, обладающих больщей твердостью, а также невозможность разбуривания металлических и других предметов: болтов, щпилек, гаек, ключей и др. Это обусловлено прежде всего тем, что конструкция известного устройства не предотвращает попадания абразива в движущиеся части гидропривода, что уменьшает крутящий момент гидродолота и ведет к его остановке. Недостаточно эффективное использование энергии жидкостного потока для увеличения крутящего момента гидродолота, связано также с углом установки гидронасадок относительно вертикальной плоскости, проходящей через основную ось скважинного гидробура.
Технический результат предполагаемой полезной модели заключается в повыщении разрушающей энергии жидкостного потока и увеличении скорости
проходки. Этот результат достигается тем, что скважинный гидробур, содержащий корпус с подвижной частью с приводом вращения и гидромониторные насадки, снабжен неподвижной частью, корпус которой выполнен в виде патрона, через полости подвижной и неподвижной частей проходит вал, неподвижно закрепленный в патроне с внутренней трубой, имеющими каждый в своей нижней части соосные отверстия, при этом вал в своей нижней части снабжен неподвижной крыльчаткой, в основании корпуса неподвижной части скважинного гидробура находятся перепускные каналы цилиндрической формы, сообщающиеся с межтрубным пространством, образуемым валом и внутренней трубой, в верхней части корпуса неподвижной части посредством резьбового соединения закреплен переводник, которым скважинный гидробур крепится к напорной колонне труб, в нижней части переводника установлено направляющее сопло, выходное отверстие которого находится внутри расщирительного патрубка, закрепленного внизу корпуса неподвижной части скважинного гидробура и сообщающегося с внутренней трубой, между внешней поверхностью расширительного патрубка и корпусом размещен фильтр, вьшолненный в виде цилиндрического кольца, к неподвижной части скважинного гидробура, корпус которой выполнен в виде цилиндрической муфты, на неподвижном валу крепится гидродолото с подвижной крыльчаткой, расположенной под неподвижной крыльчаткой неподвижной части скважинного гидробура; в нижней, рабочей части гидробура размещены гидромониторные насадки, при этом центральная насадка установлена соосно вертикальной оси внутренней полости гидродолота, промежуточные насадки установлены под углом 20-40° к вертикальной плоскости, проходящей через центральную ось, боковые насадки размещены за промежуточньми и установлены под углом 40-50° к вертикальной плоскости, проходящей через центральную ось, при этом выходные отверстия промежуточных и боковых насадок направлены в
противоположную сторону от вращения скважинного гидробура, обеспечиваемого гидроприводом.
Конструкция данного скважинного гидробура позволяет в процессе бурения использовать абразив (наждак, песок, металлическую крошку и др.), что резко увеличивает скорость проходки твердых пород и цемента, а также разбуривать металлические предметы. Наличие неподвижной части в скважинном гидробуре обеспечивает разделение гидроабразивной среды, поступающей с поверхности по напорной колонне труб, на два потока. Это жидкость без абразива, составляющая 60-90% от общего потока, которая поступает на крьшьчатки гидропривода и смесь жидкости с абразивом (10-40%), которая возвращается в гидродолото в общий поток, ниже гидропривода, перед насадками. Регулирование расходного соотнощения потоков производится подбором съемного щтуцера, расположенного в зоне отверстий на конце внутренней трубы.
Наличие фильтра позволяет задержать частицы абразива, захваченные жидкостью из расщирительного патрубка и не допустить их попадание на крыльчатки гидропривода. Разделение гидроабразивной среды на потоки предотвращает попадание абразива в крыльчатки гидропривода, его заклинивание и обеспечивает бесперебойную работу скважинного гидробура. Конструкция вращающейся части скважинного гидробура также предотвращает скопление и попадание частиц абразива между валом, резко сокращает вероятность заклинивания этого узла.
На чертеже изображен скважинный гидробур с гидромониторными насадками.
На фиг. 1 - скважинный гидробур, вид спереди, вертикальный разрез.
На фиг. 2 - насадки, их расположение и разрез по плоскости А-А.
Скважинный гидробур состоит из неподвижной части 1 и вращающейся подвижной части 2. Неподвижная часть 1 содержит корпус 3 в виде патрона, в верхней
части которого посредством резьбового соединения закреплен переводник 4, которым скважинный гидробур крепится к напорной колонне труб, в нижней части переводника 4 установлено направляющее сопло 5, выходное отверстие которого находится внутри расширительного патрубка 6, закрепленного внизу корпуса 3 неподвижной части 1 скважинного гидробура, между внешней поверхностью расширительного патрубка и корпусом размешен фильтр 7, выполненный в виде цилиндрического кольца, в основании корпуса 3 неподвижной части 1 скважинного гидробура находятся перепускные каналы 8 цилиндрической формы, через полости подвижной части 1 и неподвижной части 2 скважинного гидробура проходит вал 9, неподвижно закрепленный в патроне, вьшолненный с соосньми отверстиями 10 в нижней его части, внутри вала 9 находится труба 11с соосными отверстиями 12 в нижней своей части и съемным штуцером 13, межтрубное пространство, образуемое валом 9 и внутренней трубой 11, сообщается с перепускными каналами 8, вал 9 в своей нижней части снабжен неподвижной крьшьчаткой 14 гидропривода и пробкой 15. Корпус 16 подвижной (вращающейся) части 2 скважинного гидробура выполнен в виде цилиндрической муфты, размещенной на неподвижном валу 9. Внутри корпуса 16 на неподвижном валу 9 расположены упорные и радиальные подшипники 17, сальники 18 и прижимные крышки 19, обеспечивающие герметичность и возможность вращения при технологических нагрузках, возникающих во время процесса бурения. К нижней части корпуса 16 крепится гидродолото 20 посредством резьбы с подвижной крьшьчаткой 21 гидропривода, расположенной под неподвижной крьшьчаткой 14. В нижней, рабочей части гидро долота 20 размещены гидромониторные насадки 22, 23; центральная насадка 22 установлена соосно вертикальной оси внутренней полости скважинного гидробура, промежуточные насадки 23 установлены под углом 20-40°, к вертикальной плоскости, проходящей через центральную ось, боковые насадки 24
размещены за промежуточными и установлены нод углом 40-50° к вертикальной нлоскости, проходящей через центральную ось скважинного гидробура. При этом выходные отверстия промежуточных насадок 23 и боковых насадок 24 направлены в противоположную сторону от вращения скважинного гидробура, обеспечиваемого гидроприводом.
Скважинный гидробур работает следующим образом: гидробур спускают в скважину на колонне напорных труб (на чертеже не показано) на заданную глубину до упора в цементный мост, горную породу, песчаную пробку, металлический предмет и др. По напорным трубам под давлением 13-25 МПа подают гидроабразивную смесь (вода с песком, раствор с абразивом и др.). В направляющем сопле 5 гидроабразивная смесь разгоняется и попадает в расщирительный патрубок 6, где за счет разницы в кинетической энергии абразива (имеющего как правило больщую плотность чем жидкость) и жидкости происходит их разделение. Абразив с меньщей частью жидкости пройдя расщирительный патрубок 6 по внутренней трубе 11 поступает через отверстия 12 и съемный штуцер 13 в нижнюю часть гидродолота 20 после подвижной крьшьчатки 21. Соосная часть жидкости без абразива, через открытый верхний конец расщирительного патрубка 6, проходит фильтр 7, перепускные каналы 8 и по межтрубному пространству между валом 9 и внутренней трубой 11 поступает на неподвижную крыльчатку 14 через отверстия 10. Проходя через неподвижную и подвижную крыльчатки 14 и 21 она приводит в движение вращающуюся часть 2 скважинного гидробура. При этом, вместе с корпусом 3, гидродолото 20 и размещенные в нем насадки приобретают вращательное движение вокруг центральной оси гидробура. После крыльчатки 21 основная часть жидкости попадает в нижнюю часть гидронасадки, где за счет вращения хорощо перемещивается с абразивом. Затем, 6
вновь перемешанная гидроабразивная смесь через насадки 22, 23 и 24 поступает на разбуриваемую поверхность и разрушает ее.
Продукты разрушения (порода, цемент, металлическая крошка и пр.) и абразив вместе с жидкостью, по затрубному пространству скважины выносятся на земную поверхность.
Установка выходных отверстий промежуточных и боковых насадок в противоположную сторону от вращения гидробура способствует увеличению крутяш;его момента гидродолота за счет реактивной силы гидроабразивной среды, истекающей со скоростью 150-200 м/сек (при перепадах давления 12,0 - 20,0 МПа).
Уменьшение угла установки промежуточных насадок к вертикальной плоскости менее 20° резко снижает влияние реактивной силы на крутящий момент гидродолота, а увеличение более 40° снижает разрушительный эффект струи и скорость проходки.
Уменьшение угла боковых насадок к вертикальной плоскости менее 40° также снижает влияние реактивной силы струи на крутящий момент гидродолота, а увеличение его более 50° приводит к нежелательному увеличению диаметра проходки, а в обсаженной колонной скважине может привести к нарушению ее целостности.
Размещение насадок по центру гидробура и под острьм углом по направлению истечения струй гидроабразивной жидкости создает пространственный вращающийся конус, в котором происходит гидродинамический процесс создания гидроабразивных струй и твердых продуктов разрущения (цемента, породы, металла и пр.).
Пример. Промышленные испытания скважинного гидробура проведены в скважине в 5 эксплуатационной колонне при разбуривании цементного стакана и чугунной пробки в интервале 2568-2560 м. Разрушение цементного стакана и чугунной пробки производилось технической водой с кварцевым песком (фракция 0,3 - 0,65 мм), содержание которого составило 75 г/л жидкости. Гидроабразивная смесь подавалась
агрегатом 4AH-700 с расходом 12,5 л/сек при избыточном давлении 1530 МПа. Цементный стакан и чугунная пробка были разбурены за 76 минут, при этом переподъема напорных труб не осуществлялось. После обработки скважины гидробур полностью сохранен и готов к многократным повторным использованиям.
Таким образом, предлагаемый скважинный гидробур позволяет максимально использовать разрушающую энергию гидроабразивной смеси и дает возможность использовать его на больших глубинах.
Предлагаемая конструкция скважинного гидробура позволяет:
-эффективней использовать энергию гидроабразивного потока;
-использовать абразив в процессе бурения, что ускоряет проходку в породах средней твердости, разрушать породы высокой твердости и металлические предметы, находящиеся в стволе скважины;
-повысить надежность безперебойной работы устройства. Экономический эффект от использования на скважинах глубиной 25003000 метров оценен в размере 250-300 тыс. рублей на одну скважину.