Способ и устройство для очистки ствола скважины от пробок
METHOD AND DEVICE FOR WELL SHAFT CLEANING FROM PLUGS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам и устройствам для очистки ствола скважины, в том числе и горизонтального.
Известен способ очистки горизонтальных и наклонных скважин (патент RU № 2524228, МПК Е21В 21/08, опубл. 27.07.2014 Бюл. № 21), включающий создание циркуляции бурового раствора прокачиванием его через бурильную колонну с переводником, установленным в начале горизонтального участка, причем поток бурового раствора разделяют при проходе через переводник, содержащий полый корпус с радиальными каналами, выполненными в корпусе под углом 30-60° к его оси, на две части, при этом одну часть бурового раствора выбрасывают через радиальные каналы в виде турбулентного потока, обеспечивающего вынос частиц шлама в вертикальный участок скважины, а другую часть бурового раствора направляют в виде ламинарного потока в горизонтальный участок скважины.
Способ реализуется при помощи переводника, включающего корпус с центральным каналом и радиальными каналами, выполненными в корпусе под углом 30-60° к его оси, для разделения потока бурового раствора на центральный ламинарный и турбулентный, выбрасываемый через радиальные каналы и обеспечивающий вынос частиц шлама в вертикальный участок скважины.
Недостатками этого способа и устройства являются узкая область применения из-за возможности промывки только рыхлых и непротяженных пробок из-за отсутствия механического разрушения их, разброс напора жидкости по нескольким направлениям резко снижает эффективность разрушения пробки, и не предназначено для работы непосредственно в горизонтальных стволах.
Известен также способ очистки ствола скважины от выбуренной породы (патент RU № 2176017, МПК Е21В 21/00, опубл. 20.11.2001 Бюл. № 32), включающий вынос ее промывочной жидкостью по затрубному пространству, причем в затрубном пространстве на интервале горизонтального участка ствола скважины в процессе бурения создают радиальное движение потока промывочной жидкости для обеспечения выноса частиц шлама в верхнюю часть радиального сечения затрубного пространства, соответствующего движению основной части потока промывочной жидкости.
Недостатками этого способа являются узкая область применения из-за возможности использования только во время проходки твердых пород, так как полностью отсутствует возможность гидромониторного воздействия (высокоскоростным напором жидкости) на пробку, а наличие постоянно вращающегося эксцентрика, приводимого в действие специальным двигателем (турбиной) требует высоких затрат энергии на прокачку жидкости по колонне труб.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для очистки скважин от шлама (патент RU № 2160818, МПК Е21В 21/00, опубл. 20.12.2000 Бюл. № 35), включающее не вращающиеся бурильные трубы, долото, забойный двигатель и центраторы с лопастями, расположенными под острым углом к оси бурильных труб, причем оно снабжено турбинами, установленными за центраторами с возможностью вращения вокруг своих продольных осей под действием потока промывочной жидкости, причем наружный диаметр турбин меньше наружного диаметра центраторов, а направление лопастей центраторов по ходу движения промывочной жидкости совпадает с направлением вращения долота.
Данным устройством реализуется способ очистки скважины, включающий спуск в скважину на колонне не вращающихся бурильных труб корпуса с долотом и забойным двигателем и расположенными выше центраторами с лопастями, обрадованными турбинами, которые установлены за центраторами с возможностью вращения вокруг своих продольных осей под действием потока промывочной жидкости, причем наружный диаметр турбин меньше наружного диаметра центраторов, а направление лопастей центраторов по ходу движения промывочной жидкости совпадает с направлением вращения долота, интенсивную прокачку промывочной жидкости через бурильные трубы для обеспечения вращения забойным двигателем долота при разрушении породы на забое и вращения турбин для получения закрученного потока с приданием ему вращательно-поступательного движения.
Недостатками данного устройства является узкая область применения и высокие затраты энергии так как для постоянного вращения забойного двигателя и турбин при проходке пробок требуются большие затраты энергии на прокачку жидкости, что особенно не рентабельно (и поэтому не применяется) при проходке песчаных пробок и/или проппантовых пробок после завершения гидравлического разрыва пласта (ГРП).
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание способа и устройства для очистки ствола скважины от пробок, позволяющего пройти неплотные пробки за счет гидромониторного воздействия, а плотных пробок при помощи механического воздействия, не тратя энергия при размыве пробки на вращение разрушающей головки, а при механическом разрушении на гидромониторное воздействие, причем в автоматическом режиме.
Техническая задача решается способом для очистки ствола скважины от пробок, включающим спуск в скважину на колонне не вращающихся труб корпуса с разрушающей головкой с забойным двигателем, который обеспечивает во время прокачки промывочной жидкости через бурильные трубы с созданием определённого перепада давлений обеспечивает вращение разрушающей головки при разрушении пробки.
Новым является то, что разрушающуюся головку оборудуют центральным гидромониторным каналом, а перепад давлений, достаточный для импульсного вращения двигателя, происходит благодаря возвратно-поступательному перемещения ударника, который создают при упоре разрушающей головки на разрушаемую породу и частичном перекрытии гидромониторного канала, при этом скорость спуска бурильных труб уменьшают вплоть до остановки для стабилизации частоты скачков давления на устье, а после прекращения скачков давления скорость спуска постепенно восстанавливают.
Техническая задача решается также устройством для очистки ствола скважины от пробок, включающим не вращающиеся трубы, корпус, разрушающую головку и забойный двигатель.
Новым является то, что корпус сверху оснащен кольцевой камерой, сообщенной с наружным пространством, разрушающаяся головка оснащена центральным гидромониторным каналом для размытия пробки, вставлена внутрь корпуса с возможностью вращения и сверху на торце по периметру оснащена наклонными с одной стороны выборками, забойный двигатель изготовлен в виде поджатого сверху пружиной, вставленной в кольцевую камеру, к торцу режущей головки полого ударника, верхней частью герметично вставленного в кольцевую камеру, причем на нижнем торце ударника расположены по периметру наклонные с одной стороны выступы под выборки режущей головки, при этом для перемещения вверх ударника между внутренним кольцевым сужением корпуса и расположенным выше кольцевым выступом ударника расположена кольцевая гидравлическая камера, сообщённая с внутренней полостью ударника, выше камеры корпус оснащен радиальными отверстиями, выполненными с возможностью сообщения с камерой при перемещении вверх ударника, на внешней поверхности кольцевого выступа которого выполнен кольцевой фигурный паз, состоящий из симметричных верхних и нижних чередующихся проточек, соединенных последовательно наклонными проточками так, что верх каждой нижней проточки соединен со следующей верхней проточкой через боковую стенку, а низ каждой верхней проточки – со следующей нижней проточкой через ее боковую стенку, причем в противоположные верхние проточки вставлены парные симметричные упоры корпуса, выполненные с возможностью последовательному перемещения по всему фигурному пазу при возвратно поступательном перемещении ударника, усилие пружины подбирают так, чтобы удерживало ударник в нижнем положении при отрытом гидромониторном канале разрушающей головки, а количество выступов ударника и соответственно выборок режущей головки не должно быть кратно двум.
На фиг. 1 изображено устройство для очистки ствола скважины от пробок с частичным продольным разрезом.
На фиг. 2 изображен ударник в изометрии.
Устройство для очистки ствола скважины от пробок (не показаны) включает не вращающиеся трубы 1 (фиг. 1, показана условно), корпус 2, разрушающую головку 3 и забойный двигатель в виде ударника 4 (фиг. 1 и 2). Корпус 2 (фиг. 1) сверху оснащен кольцевой камерой 5, сообщенной с наружным пространством отверстиями 6. Разрушающаяся головка 3 оснащена центральным гидромониторным каналом 7 для размытия пробки, вставлена внутрь корпуса 2 с возможностью вращения, например, за счет наружной кольцевой выборки 8, в которую вставлен внутренний выступ 9 корпуса 2, или внутренней кольцевой выборки корпуса 2, в которую вставлен наружный выступ режущий головки 3 (на фиг. 1 не показаны), или т.п. Сверху на торце по периметру режущая головка 3 оснащена выборками 10 с наклоном 11 с одной стороны. Ударник 4 поджат сверху пружиной 12, вставленной в кольцевую камеру 5, к торцу режущей головки 3. Ударник 4 верхней частью герметично вставлен в кольцевую камеру 5. На нижнем торце ударника 4 (фиг. 2) расположены по периметру выступы 13 с наклоном 14 с одной стороны под выборки 10 (фиг. 1) режущей головки 3. Для перемещения вверх ударника 4 между внутренним кольцевым сужением 15 корпуса 2 и расположенным выше кольцевым выступом 16 ударника 4 расположена кольцевая гидравлическая камера 17, сообщённая отверстиями 18 (фиг. 1 и 2) с внутренней полостью ударника 4. Выше камеры 17 (фиг. 1) корпус 2 оснащен радиальными отверстиями 19, выполненными с возможностью сообщения с камерой 17 при перемещении вверх ударника 4. На внешней поверхности кольцевого выступа 16 (фиг. 2) ударника 4 выполнен кольцевой фигурный паз 20, состоящий из симметричных верхних 21 и нижних 22 чередующихся проточек, соединенных последовательно наклонными проточками 23 и 24 так, что верх каждой нижней проточки 22 соединен со следующей верхней проточкой 21 через боковую стенку, а низ каждой верхней проточки 21 – со следующей нижней проточкой 22 через ее боковую стенку. В противоположные верхние проточки 21 (фиг. 1) фигурного паза 20 вставлены парные симметричные упоры 25 (обычно 2 штуки для дублирования, реже - 4), например съемные винты, цилиндрические выступы, запрессованные шпильки или т.п.) корпуса 2, выполненные с возможностью последовательному перемещения по всему фигурному пазу 20 (фиг. 2) при возвратно поступательном перемещении ударника 4. Усилие пружины 12 (фиг. 2) подбирают так, чтобы удерживало ударник 4 в нижнем положении при отрытом гидромониторном канале 7 разрушающей головки 3, для обеспечения удерживания ударника 4 в нижнем положении при гидромониторном разрушении пробки. Количество выступов 13 (фиг. 2) ударника 4 и соответственно выборок 10 (фиг. 1) режущей головки 3 не должно быть кратно двум, чтобы при повороте ударника 4 (фиг. 2) при помощи фигурного паза 20 с четным количеством и верхних 21 и нижних 22 проточек, выступы 13 ударника 4 со смещением взаимодействовали выборок 10 (фиг. 1) режущей головки 3, создавая при каждом опускании ударника 4 под действием пружины 12 при помощи соответствующих наклонов 14 (фиг. 2) выступов 13 и наклонов 11 (фиг. 1) выборки 10 крутящий момент режущей головки 3 относительно корпуса 2.
Разрушающая головка 3 может быть снабжена режущими зубьями 26 любой конструкции (авторы на это не претендуют).
Конструктивные элементы, технологические соединения и уплотнения, не влияющие на работоспособность способа и устройства, на фигурах 1 и 2 не показаны или показаны условно.
Способ для очистки ствола скважины от пробок реализуется в следующей последовательности.
Часто после технологических работ для воздействия на продуктивный пласт (например, ГРП, кислотная обработка, осаждение породы и/или т.п.) в столе ствола скважины образуются пробки (особенно в горизонтальных и субгоризонтальных стволах). Для очистки ствола скважины устройство в сборе при помощи корпуса 2 соединяют с колонной не вращающихся труб 1, на которых спускают в скважину интервал нахождения пробки. Через колонну труб промывочную жидкость нагнетают с устья (не показано) скважины. Жидкость, проходя через корпус 2 и полость ударника 4, при помощи центрального гидромониторного канала 7 разрушающей головки 3 создавая высокоскоростной напор, разрушающей слабо скрепленные частицы пробки, который на поверхность по межтрубному пространству (между колонной труб 1 и стенками скважины). При этом колонну труб 1 спускают в скважину для перемещения устройства в сторону забоя скважины, а пружина 12 удерживает ударник 4 в нижнем положении с опорой на разрушающуюся головку 3. При приближении к более плотному участку пробки, для разрушения которой одного высокоскоростного напора жидкости из гидромониторного канала 7 недостаточно, разрушающая головка 3 опирается на пробку, частично или полностью перекрывая гидромониторный канал 7. В результате внутри колонны труб 1 и ударника 4 начинает расти давление относительно межтрубного пространства, сообщенного с кольцевой камерой 5 отверстиями 6. Также начинает расти давление в гидравлической камере 17, сообщённой отверстиями 18 (фиг. 1 и 2) с внутренней полостью ударника 4 и расположенной между внутренним кольцевым сужением 15 (фиг. 1) корпуса 2 и кольцевым выступом 16 ударника 4. Под действием избыточного давления в камера 17 ударник 4 перемещается вверх, преодолевая усилие пружины 12. При этом упоры 5, перемещаясь по фигурному пазу 20 (фиг. 2) из верхней части верхней проточки 21 по наклонной проточке 24 в нижнюю часть нижний проточки 22, поворачивают ударник 4 относительно корпуса 2 (фиг. 1) и разрушающей головки 3. После подъема ударника 4 и сообщения камеры 17 с радиальными отверстиями 19 корпуса 2 давление в камере 17 сбрасывается через них в межтрубное пространство и выравнивается с давлением в кольцевой камере 5. В результате под действием разжимающийся пружины 12 ударник 4 перемежается вниз наклоном 14 (фиг. 2) выступа 13 взаимодействует с наклоном 11 (фиг. 1) выборки 10 разрушающей головки 3, передавая продольную и вращающую ударную нагрузку относительно корпуса 2. При этом упоры 5, перемещаясь по фигурному пазу 20 (фиг. 2) из нижней части нижней проточки 22 по наклонной проточке 23 в верхнюю часть верхней проточки 21, опять поворачивают ударник 4 относительно корпуса 2 (фиг. 1) и разрушающей головки 3. При ударе и повороте разрушающей головки 3 (например, благодаря кольцевой выборки 8 и внутреннему выступу 9 корпуса 2) режущие зубья 26 разрушают плотную породу пробки, которая вымывается через гидромониторный канал 7 по межтрубному пространству на поверхность скважины. Если канал 7 полностью не открылся, то ударник 4 продолжает возвратно-поступательные движения, передавая ударные и вращательные усилия разрушающей головке 3 импульсно. Чем сильнее перекрыт канал 7 (чем плотнее порода пробки, тем сильнее перекрывается канал 7), тем быстрее растет давление в камере 17 и выше частота ударных импульсов. Это фиксируется снижение веса колонны труб 1 на устьевом индикаторе веса (не показан) и скачками давления (импульсами) на устьевом индикаторе давления (не показан) внутри колонны труб 1. Чтобы исключить большой нагрузки на разрушающую головку 3 скорость спуска колонны труб 1 уменьшают, чтобы не увеличивать частоту импульсов давления, что фиксируется стабилизацией частоты скачков давления на устье. Если частота импульсов давления продолжает расти, то спуск останавливают до прекращения скачков давления и его стабилизации, что свидетельствует о механическом разрушении пробки режущими зубьями 26. После чего скорость спуска постепенно восстанавливают. При дальнейшем взаимодействии с плотными участками пробки способ реализует в такой же последовательности с учетом частоты скачков давления на устье.
Сочетая прохождение при помощи гидромониторной струи и механического разрушения режущими зубьями 26 пробок, очищают весь ствол скважины до забоя за один проход. При испытаниях способа и устройства на месторождениях Республики Татарстан ни одной аварийной ситуации не произошло, все пробки в горизонтальных и вертикальных стволах скважины были пройдены за один проход.
Предлагаемые способ и устройство для очистки ствола скважины от пробок позволяет пройти неплотные пробки за счет гидромониторного воздействия, а плотные участки пробок при помощи механического воздействия, не тратя энергия при размыве пробки на вращение разрушающей головки, а при механическом разрушении на гидромониторное воздействие, причем в автоматическом режиме за счет частичного или полного перекрытия породой пробки гидромониторного канала.