Переводник для очистки скважины "Гидроклинер"

Полезная модель относится к области исследований и эксплуатации месторождений нефти или газа, в которых используют вращательные буровые снаряды, состоящие из труб и, при необходимости, из других трубчатых компонентов, таких как переводники, соединенных друг за другом в соответствии с потребностями бурения.
В частности, полезная модель относится к профилированной детали для оборудования вращательного бурения, такой как, например, переводник, расположенный во вращающейся колонне бурильных труб, или утяжеленных труб, или используемый как соединительная деталь ("cross-over sub") с различными диаметрами и типами резьбы.
Подобные бурильные колонны, связанные с другими компонентами бурового снаряда (утяжеленные штанги, стабилизаторы и т.д.), позволяют, в частности, выполнять наклонные скважины, т.е. скважины, наклон которых можно менять относительно вертикали или направления по азимуту во время бурения. В настоящее время наклонные скважины могут достигать глубин порядка 2-8 км и иметь горизонтальную протяженность 2-15 км.
Во время бурения наклонных скважин, включающих практически горизонтальные участки, моменты трения, связанные с вращением бурильных колонн в буровой скважине, могут достигать очень больших величин. Моменты трения могут представлять угрозу используемому оборудованию или целям бурения. Кроме того, подъем породы, полученной в результате бурения, очень часто является сложным из-за оседания обломков, образовавшихся в буровой скважине, например в части буровой скважины, имеющей сильный вертикальный наклон. Следствием этого факта является плохая очистка скважины, а также возрастание коэффициентов трения труб бурильной колонны внутри буровой скважины и контактных поверхностей между трубами и стенами скважины.
Уровень техники
Из документа US 2014/0224546 A1, Е21В 17/02, опубл 14.08.2014 известен элемент ударной штанги буровой установки, контактирующей со стеной буровой скважины, включающий участки с канавками, позволяющие активировать циркуляцию бурового раствора.
Недостатком известного элемента ударной штанги буровой установки является сложность изготовления, поскольку он состоит из нескольких конструктивных элементов.
Также известна конструкция элемента бурового снаряда (ЕА 201070982 A1, Е21В 17/04, опубл. 28.02.2011), содержащего первый конец, имеющий внешнюю поверхность с первым диаметром и внутренней резьбой, второй конец, имеющий внешнюю поверхность со вторым диаметром и внешней резьбой, причем первый диаметр меньше или равен второму диаметру, зону опоры на стену скважины во время бурения, при этом опорная зона снабжена опорным участком с внешней цилиндрической поверхностью и внешним диаметром, превышающим диаметры других частей элемента, и две зоны активации, расположенные выше и ниже опорной зоны относительно направления циркуляции жидкости вокруг указанного переводника, при этом указанные зоны активации включают канавки, имеющие в целом винтовую форму вокруг оси указанного переводника, при этом опорная зона включает два направляющих участка округлой выпуклой кольцевой формы, расположенные выше и ниже опорного участка и смежно с опорным участком, при этом указанные направляющие участки касательны к опорному участку и к зонам активации.
Недостатком известного элемента бурового снаряда является недостаточное снижение статических и динамических нагрузок при вращении, снижение осевых нагрузок при спуске и подъеме скважинного снаряда, работоспособность в шламе при операции подъема, позволяющая уменьшить риск закупорки, уменьшение потерь гидравлического давления, лучшее движение бурового раствора и породы вдоль бурильной трубы, снижение абразивного износа внутренней стены скважины, значительное снижение риска налипания из-за разности давления.
Раскрытие сущности заявленной полезной модели
Переводник бурового снаряда для бурения скважины с циркуляцией бурового раствора вокруг указанного переводника и по направлению от забоя буровой скважины к поверхности включает первый конец, имеющий внешнюю поверхность с первым диаметром и внутренней резьбой, второй конец, имеющий внешнюю поверхность со вторым диаметром и внешней резьбой, первый диаметр меньше или равен второму диаметру, зону опоры на стену скважины во время бурения и две зоны активации, расположенные выше и ниже опорной зоны относительно направления циркуляции жидкости вокруг указанного переводника. Опорная зона снабжена опорным участком с внешней цилиндрической поверхностью и внешним диаметром, превышающим диаметры других частей элемента. Зоны активации включают канавки, имеющие в целом винтовую форму вокруг оси (X) указанного переводника. Опорная зона включает два направляющих участка округлой выпуклой кольцевой формы, расположенные выше и ниже опорного участка и смежно с опорным участком. Направляющие участки касательны к опорному участку и к зонам активации. Переводник также содержит лопатки, расположенные между канавками зон активации, при этом лопатки каждой из зон активации частично размещены в соответствующей зоне соединительных сегментов. Лопатки могут быть выполнены криволинейными. По высоте каждая из лопаток выступает над зоной активации, но при этом каждая из лопаток ниже, чем опорный участок. Опорная зона выполнена из материала с большей твердостью, чем твердость остальной части элемента, и имеет радиальную толщину, такую, чтобы внешний диаметр опорного участка, уменьшенный на две радиальные толщины, был больше внешнего диаметра сегмента с резьбой. Зона активации имеет внешний диаметр, увеличивающийся по направлению к опорной зоне. Угол наклона по отношению к оси переводника винтовых канавок зоны активации ниже опорной зоны меньше соответствующего угла наклона винтовых канавок зоны активации выше опорной зоны.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является улучшение циркуляции бурового раствора, за счет создания лопатками дополнительных вихревых потоков, направляемых в канавки вдоль оси (X) переводника бурового снаряда, и как следствие снижение статических и динамических нагрузок при вращении, работоспособность в шламе при операции подъема, позволяющая уменьшить риск закупорки, уменьшение потерь гидравлического давления, лучшее движение бурового раствора и породы вдоль бурильной трубы и значительное снижение риска налипания из-за разности давления
Указанный технический результат достигается за счет того, что переводник бурового снаряда для бурения скважины с циркуляцией бурового раствора вокруг указанного переводника и по направлению от забоя буровой скважины к поверхности содержит лопатки, расположенные между канавками зон активации, при этом лопатки каждой из зон активации частично размещены в соответствующей зоне соединительных сегментов.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом:
Фиг. 1 - общий вид переводника бурового снаряда.
Как видно на фиг. 1, переводник (1) бурового снаряда для бурения скважины с циркуляцией бурового раствора вокруг указанного переводника (1) и по направлению от забоя буровой скважины к поверхности имеет общую форму вращения вокруг оси (X), которая представляет собой в целом ось бурения и включает первый конец, выполненный в виде соединительного сегмента (7), имеющий внешнюю поверхность с первым диаметром и внутренней резьбой, второй конец, выполненный в виде соединительного сегмента (6), имеющий внешнюю поверхность со вторым диаметром и внешней резьбой (12), причем первый диаметр меньше или равен второму диаметру, зону (3) опоры на стену скважины во время бурения, при этом опорная зона (3) снабжена опорным участком (2) с внешней цилиндрической поверхностью и внешним диаметром, превышающим диаметры других частей элемента, и две зоны активации (8), расположенные выше и ниже опорной зоны (3) относительно направления циркуляции жидкости вокруг указанного переводника. Зоны активации (8) включают канавки (4, 5), имеющие в целом винтовую форму вокруг оси (X) указанного переводника (1). Опорная зона (3) включает два направляющих участка (10, 11) округлой выпуклой кольцевой формы, расположенные выше и ниже опорного участка (2) и смежно с опорным участком (2). Направляющие участки (10, 11) касательны к опорному участку (2) и к зонам активации (8). Лопатки (9) переводника расположены между канавками (4, 5) зон активации (8). Лопатки (9) каждой из зон активации (8) частично размещены в соответствующей зоне соединительных сегментов (6, 7).
Осуществление полезной модели
Переводник (1), представленный на фиг. 1, соединенный с другими трубчатыми компонентами посредством соединительных сегментов (6, 7) между собой друг за другом так, что их центральные каналы соединяются друг с другом и образуют сплошное центральное пространство для циркуляции бурового раствора сверху вниз, между поверхностью, с которой начинается бурение, до забоя буровой скважины, где и работает буровой инструмент. Затем буровой раствор или буровой глинистый раствор поднимается в ограниченное межтрубное пространство между стеной буровой скважины и внешней поверхностью бурильной колонны. Буровой снаряд может включать трубы, утяжеленные трубы ("heavy weight drill pipe"), утяжеленные штанги ("drill collar") и стабилизаторы, соединенные между собой посредством переводника (1), что и является основной частью длины бурового снаряда. Буровой раствор во время подъема наружу из бурильной трубы увлекает за собой обломки геологических формаций, пройденных буровым инструментом, к поверхности, от которой начинается бурение. Колонна бурильных труб, соединенных переводниками (1), разработана для облегчения восходящей циркуляции бурового раствора в межтрубном пространстве между трубой и стеной скважины. Задачей является эффективное увлечение обломков выбуренной породы и осуществление промывки стены буровой скважины и опорных поверхностей бурильной колонны для облегчения прохождения колонны бурильных труб внутри скважины.
Переводник (1) может быть выполнен из цельного куска стали с высокой механической прочностью или же может быть получен посредством сварки отдельных частей друг с другом. В частности, переводник (1) может включать два профилированных участка с относительно короткими конечными участками (соединительные сегменты (6, 7)), являющимися соединительными устройствами труб, именуемыми "бурильными замками".
Зоны активации (8) включают внешнюю поверхность, касательную к цилиндрической внешней поверхности соединительных сегментов (6, 7), которые могут иметь небольшое кольцевое углубление по отношению к внешнему диаметру соединительных сегментов (6, 7), а затем увеличивающийся внешний диаметр. Зоны активации (8) включают множество лопаток (9) и множество канавок (4, 5) в форме винтовой спирали и имеют общую форму, способствующую (благодаря ее наклону) подъему бурового раствора по направлению вращения бурильной колонны. Канавки (4, 5) простираются аксиально от внешней цилиндрической поверхности соединительных сегментов (6, 7) до конца зон активации (8). Лопатки (9) каждой из зон активации (8) частично размещены в соответствующей зоне соединительных сегментов (6, 7), между канавками (4, 5) зон активации (8). Каждая из лопаток (9) выступает над зоной активации (8), но при этом каждая из лопаток (9) ниже, чем опорный участок (2). Лопатки (9) могут быть выполнены криволинейными.
Зоны активации (8) обеспечивают зачерпывание бурового раствора и обломков с эффектом рециркуляции бурового раствора во время бурения (спуск бурильной колонны). Для увеличения осевой скорости бурового раствора между верхней зоной активации и нижней зоной активации и увеличения, тем самым, эффекта рециркуляции бурового раствора наклон относительно оси винтовых канавок (4), расположенных ниже канавок (5), может быть меньше, чем наклон канавок (5). Зона активации (8) может иметь внешний диаметр, увеличивающийся по направлению к опорной зоне (3).
Дно канавок (4, 5) включает сегмент, имеющий диаметр, уменьшающийся по отношению к соединительным сегментам (6, 7), кольцевое дно небольшой длины и наклонный сегмент, расположенный с противоположной стороны соединительных сегментов (6, 7) и переходящий во внешний диаметр зон активации (8). Канавки (4, 5) имеют асимметричный профиль в форме буровой желонки с тупым углом по отношению к внешней цилиндрической поверхности зон активации (8) с одной стороны и острым углом с противоположной стороны. Острый угол может быть предусмотрен на задней стороне или на выходе канавок по направлению вращения колонны бурильных труб. Тупой угол предусмотрен на передней стороне или на входе канавок и выполнен для облегчения ввода линий тока по канавкам (4, 5). В результате канавки (4, 5) благодаря своему асимметричному профилю выполняют функцию вычерпывания обломков. Угол наклона по отношению к оси (X) винтовых канавок зоны активации (8) ниже опорной зоны меньше соответствующего угла наклона винтовых канавок зоны активации выше опорной зоны (3).
Кроме того, переводник (1) включает на своей внешней поверхности, на расстоянии от соединительных сегментов (6, 7), опорную зону (3). Опорная зона (3) включает направляющий сегмент (10), опорный центральный сегмент (2) и направляющий сегмент (11). Центральный опорный сегмент (2) имеет цилиндрическую форму вращения с внешним диаметром, большим, чем внешний диаметр других частей переводника (1).
Направляющие участки (10, 11) имеют внешнюю закругленную форму вращения, например тороидальную, оживальную или даже эллипсоидальную форму. Направляющие сегменты (10, 11) снаружи касательны к центральному опорному сегменту (2). Длина опорного участка (2) может составлять около половины длины опорной зоны (3). Длина каждого направляющего сегмента (10) и (11) может составлять около четверти длины опорной зоны (3). Опорная зона (3), в частности опорный участок (2), может быть выполнена в виде покрытия или наплавки материала более твердого, чем материал остальной части переводника (1). Твердосплавный материал может включать карбид вольфрама или хрома. Указанный твердосплавный материал нанесен в виде твердого покрытия, которое может быть нанесено с помощью сварки или газотермического напыления (например, в огне или в плазме). Опорная зона (3) имеет радиальную толщину, такую, чтобы внешний диаметр опорного участка, уменьшенный на две радиальные толщины, был больше внешнего диаметра сегмента (6, 7) с резьбой. Опорная зона (3) предназначена для обеспечения осевого трения при вращении об стену пробуриваемой скважины. Опорная зона (3), в частности профиль направляющих сегментов, позволяет жидкости вызывать эффект подшипника жидкостного трения.
Характеристики переводника, в частности, как компонента бурового снаряда влияют на качество, производительность и безопасность всего процесса бурения в течение фаз проходки, а также в течение фаз спуско-подъемных операций между забоем и поверхностью. Развитие разведки углеводородов требует внедрения все более сложных профилей для все более сложных геологических условий.
Заявленный переводник позволяет получить значительное снижение коэффициентов осевого трения, от забоя к поверхности и от поверхности к забою, и вращения, позволяя тем самым за счет создания лопатками дополнительных вихревых потоков, направляемых в канавки вдоль оси переводника бурового снаряда, улучшить циркуляцию бурового раствора, и тем самым осуществлять динамическую очистку полной скважины во время бурения и разрушение накоплений шлама, которые могли образоваться во время спуско-подъемных операций в колонне бурильных труб, а также резкое снижение абразивного износа снаряда, а именно колонны бурильных труб, и снижение абразивного износа стен буровой скважины. Кроме того, переводник позволяет избежать контакта между зонами максимальных напряжений свинченных соединений и увеличить срок службы оборудования, а также сохранить механическую прочность на протяжении фаз бурения и спуско-подъемных операций.