ЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, конкретно к буровой технике, а именно к устройствам, входящим в оснастку бурильных и обсадных колонн, обеспечивающим центровку бурильного инструмента и обсадной колонны относительно оси скважины и турбулизацию потока промывочной жидкости. Может быть использовано в любых компоновках бурильных колонн при бурении любым известным способом.
Предпосылки для создания полезной модели.
Анализ существующего уровня техники в данной области показал следующее.
Для центрирования нижней части бурильной колонны и забойного двигателя, стабилизации или изменения направления ствола скважины предназначены различного типа опорно-центрирующие инструменты и устройства-центраторы. При спуске и цементировании обсадных колонн в скважине применение центраторов способствует образованию более равномерного цементного кольца вокруг колонны.
Известен «Центратор-турбулизатор шаровой» (патент RU №2255198, Ε21В 17/10, опубл. 27.06.2005 г.). Он имеет корпус, представляющий собой цилиндрическую втулку. Снаружи корпуса установлены три лопасти, расположенные симметрично, через 120°, относительно центральной оси и являющиеся опорами устройства, обеспечивая центровку бурильной колонны. Каждая лопасть выполнена переменной по ширине с увеличением к концевой части, в которую впрессовано тело качения в виде резинового шара.
Недостатком данного центратора является быстрый износ резинового элемента.
Известен центратор турбулизатор шариковый ЦТШ, разработанный краснодарским заводом «Нефтемаш» (www.remoil.ru), включающий корпус и центрирующие шарики (копия прилагается). Предназначен для снижения механического трения, закручивания вокруг обсадной колонны и турбулизации потока жидкости в затрубном пространстве, а также центрирования колонны в скважине.
Недостатком данного центратора является большая металлоемкость.
Прототипом предлагаемого центрирующего устройства является «Скользящий центратор» (патент на полезную модель RU №127805, Ε21В 17/10, опубл. 10.05.2013 г.), включающий корпус с концевыми частями в виде центрирующих колец, соединенных между собой ребрами. При этом подвижные металлические шарики в центрирующих кольцах перекатываются по стенкам скважины, обеспечивая надежное центрирование и стабилизацию бурильной колонны в скважине.
Однако конструкция скользящего центратора усложнена большим количеством элементов, которые, в случае разрушения центратора, могут усложнить процесс бурения (в том числе подвижные металлические шарики).
Таким образом, перечисленные известные центраторы не универсальны, не обеспечивают удобство обращения и легкость установки на бурильную колонну, не все из них можно применять при спуске обсадных колонн, так как их конструкция не предназначена для этого, а самое главное при их использовании велика площадь контакта центратора со стенками скважины, что ведет к возникновению сил трения при спуске бурильной колонны.
Задачей данной полезной модели является создание универсальной конструкции центрирующего устройства, лишенного перечисленных недостатков, присущих аналогам и прототипу, позволяющего применять его как в составе бурильной, так и обсадной колонны, в том числе в наклонно-направленных скважинах и в скважинах с горизонтальными участками с большими зенитными углами.
Поставленная задача решается созданием универсального центрирующего устройства для бурильной и обсадной колонны, включающего корпус с концевыми частями в виде колец и спиральными ребрами, которые соединяют эти кольца и равномерно расположены по их окружности, при этом спиральные ребра выполнены с возможностью создания в затрубном пространстве сложного турбулентного течения потока промывочной жидкости, а запрессованные в спиральных ребрах тела качения в виде подвижных шариков изготовлены с возможностью вращения в пространстве.
Новым является то, что в спиральных ребрах устанавливаются тела качения в виде подвижных шариков из полимерного материала, что делает их стойкими к износу, а в случае разрушения к легкому разбуриванию.
Новым является также то, что на спиральных ребрах по сторонам от каждого подвижного полимерного шарика устанавливаются зубки из твердосплавных материалов, что является дополнительной защитой центрирующего устройства от износа.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами (на фиг. 1 и фиг. 2), на которых представлены общий вид центрирующего устройства и вид сверху.
Центрирующее устройство содержит корпус с концевыми частями в виде колец 1 верхнего и нижнего, спиральные ребра 2, и установленные в них подвижные полимерные шарики 3, а по сторонам от каждого подвижного полимерного шарика 3 закреплены зубки из твердосплавных материалов 4.
Центрирующее устройство (на фиг. 1 и фиг. 2) представляет собой корпус с концевыми частями в виде колец 1 верхнего и нижнего, соединенных между собой спиральными ребрами 2, равномерно расположенными по окружности колец 1. В спиральных ребрах 2 устанавливаются тела качения в виде подвижных полимерных шариков 3. Подвижные полимерные шарики 3 установлены таким образом, что площадь контакта со стенками скважины (на фиг. не показано) сокращается до точки. Точечное соприкосновение подвижных полимерных шариков 3 со стенками скважины уменьшает усилие трения при спуске бурильной или обсадной колонны (на фиг. не показано), обеспечивая ее плавное перемещение.
Спиральные ребра 2 обеспечивают турбулизацию потока промывочной жидкости или тампонажного раствора, что способствует более качественному процессу бурения и цементирования скважины. Целесообразно кольца 1 соединять со спиральными ребрами 2 методом сварки.
А установка на спиральных ребрах 2 по сторонам от подвижных полимерных шариков 3 зубков из твердосплавных материалов 4, позволяет защитить подвижные полимерные шарики 3 от преждевременного износа.
Центрирующее устройство работает следующим образом.
На поверхности центрирующее устройство одевается на трубу бурильной или обсадной колонны, закрепляется стопорными кольцами, желательно центрирующее устройство устанавливать на каждой трубе. Собранная компоновка спускается в скважину, где в процессе бурения центрирующее устройство вместе с бурильной колонной совершает вращательное и поступательное движения относительно ствола скважины. При этом подвижные полимерные шарики 3 в спиральных ребрах 2 перекатываются по стенкам скважины, обеспечивая надежное центрирование и стабилизацию бурильной или обсадной колонны в скважине. Выполнение ребер 2 спиральными обеспечивает турбулизацию потока промывочной жидкости и, следовательно, более полный вынос шлама, а при промывке скважины позволяет не образовывать застойных зон в затрубном пространстве и не размывать стенки скважины. Зубки из твердосплавных материалов 4 являются дополнительной защитой подвижных полимерных шариков 3 от преждевременного абразивного износа.
При включении центрирующего устройства в состав оснастки обсадной колонны, облегчается спуск колонны в скважину, и за счет турбулизации потока жидкости спиральными ребрами 2 центрирующего устройства обеспечивается более полное замещение бурового раствора тампонажным и улучшение гидравлических показателей промывки скважины.
Учитывая, что площадь соприкосновения подвижных полимерных шариков 3 центрирующего устройства со стенками скважины сокращается до точки, значительно уменьшаются силы трения при спуске бурильной или обсадной колонны при минимальном гидравлическом сопротивлении, тем самым достигается упрощение спускоподъемных операций и снижение прихватоопасности в стволе скважины.
В связи с тем, что подвижные полимерные шарики предполагается изготавливать из полимерного низкофрикционного материала, это сделает центрирующее устройство стойким к износу, так как подвижные полимерные шарики не будут деформироваться как большинство металлических изделий. Подвижные полимерные шарики будут изготовлены методом прессовки полимера в процессе инжекции под высоким давлением. Свойства полимера помогут снизить коэффициент трения и позволят при необходимости извлекать компоновку из наклонно-направленных скважин, а также из скважин с горизонтальными участками с большими зенитными углами. Значительно снизятся трение и эффект дифференциального прихвата компоновки, улучшится проходимость центрирующего устройства в скважине, а после бурения скважины центрирующее устройство можно будет поднять и использовать в следующей компоновке для бурения следующей скважины.
Выполнение центрирующего устройства такой конструкции позволяет обеспечить низкий коэффициент трения колонны со стенками скважины или обсадной колонны, высокую прочность центрирующего устройства, термоустойчивость, высокую стойкость на сжатие. В случае потери подвижных полимерных шариков, исключается аварийность, в виду того, что материал из которого они изготовлены позволяет легко их разбурить.
А установка на спиральных ребрах по сторонам от подвижных полимерных шариков зубков из твердосплавных материалов позволяет защитить подвижные полимерные шарики от преждевременного износа.
Предлагаемое центрирующее устройство имеет простую конструкцию и позволяет значительно уменьшить силы трения о стенки скважины и увеличения стойкости к износу за счет зубков из твердосплавных материалов и тел качения, т.е. подвижных полимерных шариков путем уменьшения контакта центрирующего устройства со стенками скважины.
Центрирующее устройство имеет оптимальную металлоемкость, долговечность и высокую эффективность работы в скважинах, так как качественное центрирование бурильной и обсадной колонны исключает прилегание к стенкам скважины и уменьшает силы трения при спуске в скважину, а турбулизация потока способствует осуществлению качественной промывки скважины, улучшает вынос шлама с забоя и соответственно улучшает технико-экономические показатели бурения, в том числе в наклонно-направленных скважинах и в скважинах с горизонтальными участками с большими зенитными углами.