СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ ПРИХВАТОВ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
METHOD AND DEVICE TO ELIMINATE DRILL TOOL STICKING

Изобретение относится к технологии бурения нефтяных и газовых скважин и предназначено для ликвидации аварий, вызванных прихватами бурового инструмента (долота или бурильных труб).
3
Известен способ ликвидации прихватов бурильной колонны, заключающийся в установке жидкостной ванны путем закачки ее в затрубное пространство зоны прихвата, выдержки определенное время, необходимое для проникновения ванны в эту зону, и последующим расхаживанием бурильных труб (см. Инструкцию по борьбе с прихватами колонны труб при бурении скважин, М., «Недра», 1976, с.47-52 и с.97). В качестве агентов жидкостной ванны могут быть использованы вода, кислоты, щелочи и другие продукты. Однако наиболее распространенным и эффективным агентом является нефть. Нефтяная ванна должна быть установлена сразу же после возникновения прихвата. Перед установкой ванны необходимо определить верхнюю границу прихвата по упругому удлинению колонны или с помощью специальной аппаратуры. Для экономии в настоящее время вместо нефти начали использовать жидкость для ликвидации прихватов РПХ-44, представляющую собой смесь углеводородов, высококипящих продуктов производства диметилдиоксана и комплекса смазывающих добавок. Жидкость РПХ-44 используется в количестве 3-5 м и нахождении ее в зоне прихвата в течение 2-х часов (см. ТУ 2452-008-72795637-06).
Однако этот способ является длительным и эффективность его редко превышает 70% из-за медленного и неполного проникновения жидкостной ванны в зону прихвата. В итоге скважину приходится перебуривать новым стволом.
Известны также взрывные устройства для ликвидации прихватов бурового инструмента и/или насосно-компрессорных труб. Это шнуровые торпеды типа ТДШ и шашечные торпеды типа ТШТ, которые разрабатывает и применяет компания «Тюменпромгеофизика» (см. www.tpg.ru/main). Шнуровые торпеды состоят из головки и груза, соединенных между собой тросом, к которому прикреплен заряд из одного или нескольких отрезков детонирующего шнура. Шашечные торпеды имеют негерметичный тонкостенный корпус, в котором размещены цилиндрические шашки ВВ диаметром 20-84 мм и массой 0,255-4,91 кг. Спуск торпед ТДШ и ТШТ производится на каротажном кабеле. При подрыве этих взрывных устройств происходит встряхивание и отвинчивание заклинившего или прихваченного бурового инструмента. Недостатки взрывных устройств:
- одноразовость удара по бурильной колонне или буровому инструменту, что практически всегда недостаточно для отвинчивания заклинившего или прихваченного инструмента;
- большая длина 510-600 мм и масса заряда 0,255-4,91 кг, что может привести к деформированию или разрыву бурильной колонны и последующему обрыву ее при извлечении на поверхность земли;
- взрывоопасность устройств для персонала, работающего на скважине. Известны также (см. www.drillings.ru/likvid) устройства для ликвидации прихватов бурового инструмента - так называемые скважинные гидравлические вибраторы конструкции ДПИ: ВГ-57…ВГ-146. Гидровибратор спускают на бурильных трубах, присоединяют его к колонковому набору, дают натяжение на колонну и включают гидровибратор в действие. Удары бойка по верхней и нижней наковальням формируются за счет эффекта гидравлического удара потока промывочной жидкости, который получается при резком перекрытии потока клапаном. Продольные удары по верхней и нижней наковальням гидровибратора передаются бурильной колонне и прихваченному инструменту (долоту), вызывая в нем вынужденные колебания. После включения гидровибратора (при расходе промывочной жидкости 150 л/мин для ВГ-73 и 400 л/мин для ВГ-146) осуществляют натяжение бурильной колонны с усилием 2-3 тс. При появлении признаков движения колонны увеличивают натяжение колонны до 5-7 тс. Попытки отрыва снаряда при «прижоге» буровой коронки выполняют с усилием натяжения до 10-12 тс.
Недостатки гидровибраторов:
- малая энергия единичного удара (50 Дж для ВГ-73 и 350 Дж для ВГ-146);
- необходимость развинчивания и подъема колонны бурильных труб выше места прихвата;
- большое время для спуска гидровибратора к буровой коронке (долоту).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу - первым прототипом является способ освобождения прихваченных в скважине бурильных или других труб (см. авт.св. СССР №125216, авторы Н.Н.Довгополов, Ю.Л.Бурьян, У.Мамаджанов, опубл. в БИ №1 за 1960 г.), который заключается в том, что на трубы в процессе извлечения воздействуют импульсами, создаваемыми в жидкости, находящейся в трубе, при помощи периодических разрядов конденсатора, помещенного непосредственно в зоне прихвата.
Для этой цели силовой ток (точнее напряжение питания) 220-380 В, трансформируемый в напряжение до 1000-6000 В, подается на тиратронный генератор, который позволяет получать ток с частотой от 1 Гц до нескольких килогерц. От тиратронного генератора по кабелю напряжение подается к установке, расположенной в зоне прихвата внутри колонны труб. Батарея конденсаторов заряжается постоянным током через реактор-дроссель. Через газовый разрядник осуществляется разряд высоковольтных конденсаторов непосредственно на стенку трубы. Получаемые гидравлические импульсы производят мощные удары по внутренним стенкам труб и бурового инструмента, тем самым расшатывая буровой инструмент в зоне прихвата. В зависимости от хода процесса освобождения бурового инструмента может быть изменена частота и мощность импульсов. Регулирование производится с пульта, находящегося на поверхности земли.
Недостатки способа - прототипа:
- через стандартные геофизический кабель и кабель для питания электроцентробежных насосов нельзя подать напряжение большее 800 В и 5000 В соответственно, причем с повышением частоты более 3 кГц растут активные и реактивные потери на кабеле;
- даже без учета потерь энергии на кабеле напряжения 1000-6000 В недостаточно для пробоя жидкости, находящейся в скважине (пробивное напряжение скважинной жидкости примерно равно 30 кВ), и, соответственно, для генерации мощных электрогидравлических ударов внутри колонны труб, достаточных для упругой деформации толстостенных бурильных труб и освобождения их от прихвата;
- с момента обнародования способа (с 1960 г. и практически до 1996 г.) ни в России, ни за рубежом не было мощных конденсаторов в скважинном исполнении.
Вследствие этих недостатков до настоящего времени способ-прототип не реализован в нефтяной промышленности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству - вторым прототипом является устройство для электрогидравлического воздействия на призабойную зону скважины (см. патент ЕАПО №010901, МПК E21B 43/25, опубл. 30.12.2008, авторы Картелев А.Я. и др.). Это устройство называется «ЭРА-5» и оно содержит соединенные посредством грузонесущего геофизического кабеля наземный источник питания и скважинный электрогидравлический (электроразрядный) аппарат, состоящий из зарядного блока, конденсаторного накопителя энергии, коммутатора и электродной системы, при этом зарядный блок, конденсаторный накопитель энергии, коммутатор и электродная система выполнены в виде отдельных модулей, модули соединены друг с другом электрически и механически путем свинчивания, каждый из модулей заключен в автономный металлический корпус и снабжен изолированными токовыводами и двухуровневой гидроизоляцией от внешней среды: наружной в виде уплотняющих элементов, по крайней мере, на одном из концов корпусов модулей и внутренней в виде уплотняющих элементов на выходных изоляторах и токовыводах модулей. Рабочее напряжение и энергоемкость конденсаторных модулей аппарата высокие (30 кВ и 1 кДж соответственно), индуктивность низкая (примерно 110 нГн), число конденсаторных модулей переменное (1-5), что позволяет генерировать в скважинной жидкости импульс тока с амплитудой примерно 30 кА и импульс давления с амплитудой на стенке обсадной колонны от 200 до 800 атм и более. Это наивысшие на сегодня параметры электрического разряда и ударной волны в скважине.
Зарядный блок в данном устройстве выполнен по патенту RU №2132105 (МПК H02J 7/02, авторы Картелев А.Я. и др., заявл. 26.08.1997, опубл. 20.06.1999) и содержит маслонаполненный металлический корпус с низковольтным вводом и высоковольтным выводом на концах и размещенные внутри корпуса повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, отсекающий дроссель, разрядный резистор и измерительная CR-цепочка, при этом высоковольтный выпрямитель выполнен по мостовой схеме (или схеме удвоения Латура), первичная обмотка повышающего трансформатора подключена к контактам низковольтного ввода, а вторичная обмотка повышающего трансформатора присоединена к первой диагонали мостового выпрямителя, вторая диагональ мостового выпрямителя подключена через отсекающий дроссель к корпусу и напрямую к высоковольтному выводу, измерительная CR-цепочка состоит из последовательно соединенных конденсатора и одного или двух резисторов, разрядный резистор и измерительная CR-цепочка включены параллельно между высоковольтным выводом и корпусом, общая точка соединения конденсатора и резистора в CR-цепочке подключена к низковольтному вводу, постоянная времени измерительной CR-цепочки выбрана меньше постоянной времени разряда емкостного накопителя.
Корпус зарядного блока выполнен в виде стальной трубы диаметром 102 мм и длиной 1 м. Выходное рабочее напряжение зарядного блока 30 кВ. Питание зарядного блока осуществляется от наземного пульта питания и управления, подключенного к промышленной сети 220 В, 50 Гц и генерирующего на выходе пульта - входе геофизического кабеля переменное напряжение частотой 1 кГц и амплитудой до 1000 В.
Недостатками устройства - прототипа являются то, что:
- при применении устройства «ЭРА-5» для ликвидации прихватов в скважину необходимо предварительно спускать на геофизическом кабеле локатор муфт или прихватоопределитель для определения места расположения предпоследней перед долотом муфты или зоны прихвата бурильных труб. Известные локаторы муфт и прихватоопределители представляют собой (см. сайт ЗАО «Спецгеофизсервис», www.sgstalasov.ru) отдельные устройства, содержащие цилиндрический немагнитный корпус с узлом стыковки с кабельным наконечником и магнитную систему, расположенную внутри корпуса и состоящую из двух встречно ориентированных магнитов, между которыми расположена измерительная катушка, или генераторной катушки. При прохождении места с магнитной неоднородностью (муфты, перфорационного отверстия) изменяющийся магнитный поток формирует электрический сигнал в измерительной катушке амплитудой несколько вольт, который через геофизический кабель поступает на наземную каротажную станцию. Изготовление локатора муфт или прихватоопределителя и их спуск в скважину для определения расположения муфт или зоны прихвата - это самостоятельные операции, требующие финансовых затрат и времени;
- привязка геофизического кабеля к муфте или к зоне прихвата, полученная при помощи известных локатора муфт или прихватоопределителя, может оказаться неправильной, когда произойдет спуск на кабеле аппарата «ЭРА-5», отличающегося от локатора муфт или прихватоопределителя весом и диаметром. Геофизический кабель в стволе скважины второй раз может расположиться совсем по-другому (спираль кабеля, как стальной трос, может лечь в стволе скважины не с тем шагом и конец кабеля и аппарат «ЭРА-5» может оказаться в другой точке, чем локатор муфт или прихватоопределитель). Соответственно, операция по ликвидации прихвата аппаратом «ЭРА-5» может оказаться неуспешной.
Основной задачей, решаемой данным изобретением, является обеспечение операции ликвидации прихвата бурового инструмента достаточной энергией и точной пространственной привязкой.
Технический результат изобретения - снижение времени и трудозатрат на подготовку и проведение операции по ликвидации прихвата бурового инструмента.
к
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе освобождения прихваченных в скважине бурильных или других труб, заключающемся в том, что на трубы в процессе извлечения воздействуют импульсами, создаваемыми в жидкости, находящейся в трубе, при помощи периодических разрядов конденсатора, помещенного непосредственно в зоне прихвата, новым является то, что энерговыделение в канале разряда устанавливают в диапазоне W=1-6 кДж.
c
c
к
c
2
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для электрогидравлического воздействия на призабойную зону скважины, содержащем соединенные посредством геофизического кабеля наземный источник питания и управления и скважинный электрогидравлический (электроразрядный) аппарат, включающий в себя зарядный блок, конденсаторный накопитель энергии, коммутатор и электродную систему, выполненные как отдельные конструктивные модули и соединенные друг с другом электрически и механически путем свинчивания, при этом зарядный блок содержит маслонаполненный металлический корпус, на одном конце которого установлен низковольтный ввод, а на другом конце - высоковольтный вывод, внутри корпуса размещены повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, отсекающий дроссель, разрядный резистор и измерительная CR-цепочка, новым является то, что в зарядный блок дополнительно введена магнитная система локатора муфт или прихватоопределителя, в которых выводы измерительной или генераторной катушки подключены к одному из контактов низковольтного ввода и корпусу, конденсаторный накопитель энергии выполнен суммарной энергоемкостью W=CU /2=(W/η), где C - емкость накопителя энергии, U - рабочее напряжение накопителя энергии, η - электрический к.п.д. накопителя энергии.
Кроме того, корпус зарядного блока в районе расположения магнитной системы локатора муфт или прихватоопределителя выполнен из немагнитного материала и имеет меньшую толщину стенки; низковольтный ввод в зарядном блоке выполнен трехконтактным, а выводы от измерительной CR-цепочки и измерительной катушки локатора муфт или генераторной катушки прихватоопределителя запараллелены друг с другом или соединены через разделительную емкость.
Ввод в зарядный блок устройства для электрогидравлического воздействия магнитной системы локатора муфт или прихватоопределителя обеспечивает:
- точную и независимую от степени растяжения или спиральной закрутки геофизического кабеля привязку скважинного электрогидравлического аппарата к соединительным муфтам бурильной колонны или месту прихвата бурильной колонны, которые электрогидравлическими ударами придется в последующем прослаблять электрогидравлическими ударами;
- сокращение времени и стоимости операции по ликвидации прихвата бурильной колонны, так как спуск и работа локатора муфт или прихватоопределителя и скважинного электрогидравлического аппарата происходит совместно и за один рейс в скважину.
к
к
к
к
к
к
к
к
c
к
2
Ввод в канал разряда электрической энергии на уровне (в диапазоне) W=∫U(t)·I(t)dt==∫R(t)·I (t)dt=1-6 кДж, где U(t) - напряжение в канале разряда, I(t) - ток в канале разряда, R(t) - активное сопротивление канала разряда, dt - длительность импульса тока, или обеспечение суммарной энергоемкости конденсаторных модулей аппарата в диапазоне W=(W/η)≥1,25-7,5 кДж, где η≤0,8 электрический к.п.д. емкостного накопителя энергии, позволяет (см. фиг.4-7):
- получить на внутренней стенке бурильной колонны импульс давления величиной 65-160 МПа (или 650-1600 атм), что не превышает предел текучести стальных бурильных труб, равный в зависимости от группы прочности (марки) стали 379-930 МПа, и означает, что бурильные трубы не будут пластически деформироваться при электрическом разряде в промывочной жидкости. Но это давление очень большое и заставляет бурильную колонну упруго деформироваться (расширяться и сужаться) по диаметру примерно на 6-17%. Соответственно, резьбовое соединение в соединительных муфтах будет ослабляться и колонну бурильных труб можно будет открутить от прихваченного турбобура и поднять на поверхность земли;
- повторить многократно на одной определенной соединительной муфте или на нескольких соседних соединительных муфтах ударно-волновое нагружение бурильной колонны и обеспечить прослабление резьбового соединения в одной или нескольких соединительных муфтах. Тем самым гарантия развинчивания бурильной колонны многократно повышается;
- наносить одновременно с натяжением бурильной колонны повторяющиеся, например, через 10 сек удары по стенке бурильной колонны и, соответственно, ликвидировать прилипание бурильной колонны или бурового инструмента к глинистой стенке скважины и облегчить подъем бурильной колонны на поверхность земли.
Энерговыделение в канале разряда большее 6 кДж авторы считают опасным для бурильной колонны, так как большое относительное (20% и более) расширение стенок колонны в сочетании с искривлением бурильной колонны может привести или к растрескиванию бурильной колонны, или потере продольной устойчивости колонны. Кроме того, при таком большом энерговыделении электродная система скважинного аппарата, находящаяся в эпицентре электрического разряда (электрозрыва), может разрушиться. Соответственно, операция по ликвидации прихватов бурового инструмента может сорваться.
Выполнение корпуса зарядного блока в районе расположения магнитной системы локатора муфт или прихватоопределителя из немагнитного материала и с меньшей толщиной стенки, чем в районе расположения, например, повышающего трансформатора или высоковольтного выпрямителя, обеспечивает лучшую магнитную связь между стенками и муфтами стальной бурильной колонны и измерительной катушкой локатора муфт или генераторной катушкой прихватоопределителя.
Выполнение низковольтного ввода в зарядном блоке трехконтактным, а также параллельное соединение или соединение через разделительную емкость вывода от измерительной CR-цепочки и вывода от измерительной катушки локатора муфт или генераторной катушки прихватоопределителя упрощает конструкцию и повышает надежность кабельной головки на зарядном блоке, а также устраняет влияние на работу измерительной CR-цепочки измерительной катушки локатора муфт или генераторной катушки прихватоопределителя.
На фиг.1 приведена фотография предлагаемого устройства серии «ЭРА-5» для электрогидравлического развинчивания бурильной колонны с тремя конденсаторными модулями общей запасаемой энергоемкостью 3 кДж, где сверху вниз показаны наземный пульт питания и управления, зарядный блок, три идентичных конденсаторных модуля, коммутатор и электродная система.
На фиг.2 и 3 приведены схемы зарядных блоков предлагаемого устройства, в одном из которых установлена магнитная система локатора муфт, а в другом - магнитная система прихватоопределителя.
На фиг.4 приведена осциллограмма импульса давления на внутренней стенке фрагмента бурильной колонны, полученная экспериментально на аппарате «ЭРА-5» при энерговыделении в канале подводного разряда 1,35 кДж.
На фиг.5, фиг.6 и фиг.7 для стальной бурильной колонны наружным диаметром 140 мм и толщиной стенки 10,5 мм приведены результаты газодинамических расчетов распределения плотности материалов (веществ) внутри и вне бурильной колонны, давления на внутренней стенке бурильной колонны и относительного расширения бурильной колонны при электрическом разряде в ней с энергией 1-6,14 кДж на момент времени 400 мкс от начала электрического разряда.
На фиг.8 приведены зависимости от времени относительного расширения стальной бурильной колонны диаметром 140 мм и толщиной стенки 10,5 мм при различных энерговыделениях 1-6 кДж в канале электрического разряда.
Предлагаемое устройство для электрогидравлического развинчивания бурильной колонны содержит наземный пульт питания и управления, грузонесущий геофизический кабель и скважинный электрогидравлический аппарат.
Скважинный электрогидравлический аппарат выполнен по патенту ЕАПО №010901 (авторы Картелев А.Я., Измалков Ю.Н., Карюк В.М., Сидоров А.А.) и представляет собой (см. фиг.1) многомодульную конструкцию, состоящую из одного зарядного блока, трех конденсаторных модулей, коммутатора и электродной системы.
Каждый блок-модуль аппарата заключен в автономный металлический корпус с присоединительными резьбами на концах и снабжен изолированными токовыводами и двухуровневой гидроизоляцией от внешней среды: наружной в виде уплотняющих элементов, по крайней мере, на одном из концов корпусов модулей и внутренней в виде уплотняющих элементов на выходных изоляторах и токовыводах модулей, при этом модули соединены друг с другом электрически и механически путем свинчивания.
Зарядный блок в данном аппарате выполнен по патенту RU №2132105 (авторы Картелев А.Я., Кулагин А.А., Межевов А.Б. Шайдуллин В.Ш., Ишуев Т.Н. Харисов Р.Г. заявл. 26.08.1997, опубл. 20.06.1999) и содержит (см. фиг.2 и 3) маслонаполненный металлический корпус 1 с низковольтным вводом 2 на одном конце корпуса и высоковольтным выводом 3 на другом конце. Низковольтный ввод 2 представляет собой стандартную семиконтактную кабельную головку ЗГ-7-60, к которой присоединяется кабельный наконечник геофизического кабеля НКБ-7-60. Высоковольтный вывод 3 представляет собой металлический штырь 3, расположенный по оси корпуса 1 и изолированный от него при помощи выходного трубчатого изолятора 4.
Внутри корпуса 1 зарядного блока размещен повышающий трансформатор 5, высоковольтный выпрямитель 6, отсекающий (или защитный) дроссель 7, разрядный резистор 8 и измерительная CR-цепочка, состоящая из последовательно соединенных конденсатора 9 и резистора 10, при этом высоковольтный выпрямитель 6 выполнен по мостовой схеме (или схеме удвоения Латура), первичная обмотка повышающего трансформатора 5 подключена к контактам низковольтного ввода 2, а вторичная обмотка повышающего трансформатора 5 присоединена к первой диагонали мостового выпрямителя 6, вторая диагональ мостового выпрямителя 6 подключена к высоковольтному выводу 3 и через отсекающий (или защитный) дроссель 7 к корпусу 1, разрядный резистор 8 и измерительная CR-цепочка из конденсатора 9 и резистора 10 включены параллельно между высоковольтным выводом 3 и корпусом 1, общая точка соединения конденсатора 9 и резистора 10 подключена к низковольтному вводу 2, постоянная времени измерительной CR-цепочки выбрана меньше постоянной времени разряда емкостного накопителя.
В схему зарядного блока согласно предлагаемому изобретению дополнительно введена магнитная система локатора муфт или прихватоопределителя, состоящая:
- в локаторе муфт из измерительной катушки 11, намотанной на кольцевом ферромагнитном каркасе-магнитопроводе 12 и установленной между встречно ориентированными постоянными магнитами 13 и 14, равномерно расположенными по периметру каркаса-магнитопровода 12;
- в прихватоопределителе из генераторной катушки 11, намотанной на кольцевом ферромагнитном каркасе-магнитопроводе 12.
В любом варианте использования магнитная система локатора муфт или прихватоопределителя примыкает к корпусу 1 зарядного блока, а один из выводов измерительной или генераторной катушки 11 подключается к свободному контакту низковольтного ввода 2, второй вывод измерительной или генераторной катушки 11 подключается к корпусу 1 зарядного блока.
В случае использования в качестве низковольтного ввода 2 трехконтактной кабельной головки ЗГ-3-60 потенциальный вывод измерительной или генераторной катушки 11 запараллеливается с потенциальным выводом измерительной CR-цепочки или отделяется от нее с помощью разделительного конденсатора.
Корпус 1 зарядного блока выполнен в виде стальной трубы наружным диаметром 102 мм и длиной не более 0,9 м. Часть корпуса зарядного блока (в районе установки магнитной системы локатора муфт или прихватоопределителя) выполнена из немагнитного материала, например нержавеющей стали или титана. Кроме того, толщина стенки корпуса зарядного блока в этом месте может быть выполнена меньшей, чем в районе расположения, например, повышающего трансформатора или высоковольтного выпрямителя.
к
c
к
к
c
Конденсаторные модули аппарата представляют собой каждый группу последовательно или параллельно соединенных и пропитанных маслом конденсаторных секций, размещенных в металлическом корпусе, причем металлический корпус является катодом. Конденсаторные модули имеют на обоих концах выходные высоковольтные изоляторы, токовыводы и присоединительные резьбы (одну внутреннюю, другую наружную). Благодаря этому становится возможным соединение конденсаторных модулей в цепную линию, а также заряд конденсаторных модулей с одного конца модуля и разряд на нагрузку с другого конца модуля. Энергоемкость каждого конденсаторного модуля составляет 1 кДж. Рабочее напряжение каждого конденсаторного модуля 30-35 кВ. Индуктивность каждого конденсаторного модуля не более 110 нГн. Благодаря малой индуктивности конденсаторных модулей электрический к.п.д емкостного накопителя высокий η=L/(n·L+L)≥0,8, где L - индуктивность канала разряда, L - индуктивность конденсаторного модуля, n - число конденсаторных модулей.
Зарядный блок и конденсаторные модули отваккуумированы и заполнены конденсаторным маслом. Высоковольтные изоляторы в этих модулях установлены с уплотнениями относительно токовыводов и корпуса. Внутри зарядного и конденсаторных модулей установлены термокомпенсаторы расширения конденсаторного масла при повышенных температурах, которые наблюдаются обычно в скважине. Термостойкость зарядного блока и конденсаторных модулей
+100°C.
Коммутатор представляет собой неуправляемый газонаполненный разрядник с фиксированным напряжением срабатывания, также размещенный в металлическом корпусе и снабженный с двух сторон токовыводами, высоковольтными изоляторами и уплотнениями.
Электродная система имеет центральный анод-стержень, изолятор-обтекатель и катод с плоской поверхностью, установленный с зазором относительно анода и соединенный с металлическим корпусом, в котором выполнено до двенадцати продольных прорезей - окон для сообщения внутреннего объема системы камеры со скважинной жидкостью и высокоскоростного выброса жидкости при электрическом разряде. Изолятор-обтекатель установлен с уплотнениями относительно металлического корпуса и центрального анода для исключения прорыва скважинной жидкости, находящейся под высоким пластовым давлением 200-300 атм, в направлении к коммутатору. Катод имеет хвостовик с резьбой, что позволяет путем вкручивания/выкручивания катода регулировать зазор между анодом и катодом электродной системы и ее электроакустический к.п.д.
Диаметр всех модулей скважинного электрогидравлического аппарата 102 мм. Длины модулей аппарата различны: зарядный блок и конденсаторный модули имеют длину соответственно 1,0 и 1,2 м, коммутатор и электродная система - длину 0,37 и 0,4 м. Вес конденсаторного модуля не превышает 30 кг, зарядного модуля - 25 кг, коммутатора - 7,5 кг, электродной системы - 9 кг.
Сборка скважинного электрогидравлического аппарата и все межмодульные электрические и механические соединения осуществляются двумя простыми операциями: установкой на концы модулей кольцевых резиновых уплотнений и последовательным свинчиванием модулей друг с другом.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Операция отвинчивания бурильной колонны от прихваченного бурового инструмента, например, долота. Здесь скважинный аппарат оснащается зарядным блоком с магнитной системой от локатора муфт. Затем к головке зарядного блока аппарата подстыковывают кабельный наконечник геофизического кабеля и скважинный аппарат с помощью каротажного подъемника и геофизического кабеля спускают в скважину на заданную глубину. При прохождении соединительной муфты - места с магнитной неоднородностью изменяющийся магнитный поток формирует электрический сигнал в измерительной катушке локатора муфт. Амплитуда электрического сигнала пропорциональна числу витков измерительной катушки, мощности используемых постоянных магнитов и скорости движения аппарата мимо магнитной неоднородности в стенке бурильной колонны. При локации муфт амплитуда электрического сигнала с измерительной катушки достигает нескольких вольт. Этот сигнал непрерывно поступает на низковольтный ввод зарядного блока и далее по жиле геофизического кабеля передается на поверхность земли (в кабину каротажного подъемника), где регистрируется измерительным прибором, например, шлейфовым осциллографом. После прохождения, например, предпоследней перед турбобуром соединительной муфты спуск аппарата прекращается. Аппарат приподнимается вверх на длину аппарата и устанавливается электродной системой напротив предпоследней соединительной муфты. Затем в бурильную колонну подают промывочную жидкость (техническую воду) и включают наземный пульт питания и управления скважинного аппарата. На зарядный блок аппарата начинает поступать переменное напряжение питания. В зарядном блоке это напряжение повышается, удваивается и выпрямляется. Конденсаторные модули в течение примерно 5-10 с заряжаются указанным выпрямленным напряжением до 30 кВ и накапливают электрическую энергию, например, 3 кДж. По достижении в конденсаторных модулях заданных уровней напряжения и энергии пробивается зазор между электродами газонаполненного коммутатора и напряжение конденсаторных модулей прикладывается к промежутку между анодом и катодом электродной системы аппарата, омываемых промывочной жидкостью. В промежутке между анодом и катодом электродной системы образуется сильно неоднородное электрическое поле, а в промывочной жидкости прорастают лидеры и через 5-10 мкс от момента подачи высокого напряжения происходит пробой промывочной жидкости. Амплитуда тока резко возрастает, скважинная жидкость интенсивно разогревается и испаряется. От канала разряда отходит ударная волна и скоростной гидропоток, которые оказывают сильное ударное воздействие на внутреннюю поверхность соединительной муфты. Давление разряда на внутреннюю поверхность соединительной муфты настолько велико (составляет от 65 до 160 МПа или от 650 до 1600 атм), что соединительная муфта упруго расширяется на 6-17,5% по диаметру. После спада волны давления и образования волны разрежения соединительная муфта восстанавливает свой первоначальный диаметр. Но так как металлическая соединительная муфта изнутри имеет промывочную жидкость, а снаружи - горную породу с резко отличающимися от металла акустическими импедансами, то по телу муфты при каждом электрогидравлическом ударе проходят несколько раз прямые волны сжатия и отраженные волны. А так как тело муфты состоит из двух навинченных друг на друга частей: внутренней от последующей бурильной трубы и наружной от предыдущей бурильной трубы, то от сильного электрогидравлического удара резьбовое соединение между двумя соседними бурильными трубами ослабляется. При повторении электрогидравлических ударов резьбовое соединение между двумя соседними бурильными трубами ослабляется еще больше. После нанесения по соединительной муфте заданного числа электрогидравлических ударов (при стальной бурильной колонне большего, чем при алюминиевой бурильной колонне) буровая бригада с помощью электроключей начинает операцию по отвинчиванию колонны бурильных труб от прихваченного бурового инструмента (долота). Если бурильная колонна пришла во вращение, то скважинный аппарат поднимают на поверхность земли, а следом поднимают на поверхность и бурильную колонну.
Операция по ликвидации прихвата бурильной колонны глиняным буровым раствором или горной породой. Здесь скважинный аппарат комплектуется зарядным блоком с прихватоопределителем. Затем к головке зарядного блока подстыковывают кабельный наконечник геофизического кабеля и скважинный аппарат с помощью каротажного подъемника и геофизического кабеля спускают в скважину на заданную глубину (в предполагаемую зону прихвата). Здесь с помощью генераторной катушки прихватоопределителя, как локатором муфт, производится первый контрольный замер намагниченности прихваченных бурильных труб. Затем в предполагаемой зоне прихвата на бурильных трубах ставят магнитные метки. Для этого на генераторную катушку прихватоопределителя из кабины каротажного подъемника подают электрический ток. Генераторная катушка с ферромагнитным сердечником работает как электромагнит и намагничивает близлежащий участок (15-20 см) бурильной трубы. Магнитные метки ставят через каждые 10 м по всей предполагаемой зоне прихвата бурильной колонны, опуская скважинный аппарат. Затем аппарат приподнимают и проводят второй контрольный замер намагниченности бурильных труб в предполагаемой зоне прихвата, подключив к генераторной катушке измерительный прибор. Если бурильная труба не прихвачена и недеформирована, то магнитные метки фиксируются четкими аномалиями (меньшими аномалиями фиксируются также замки и муфты труб). Если бурильная труба прихвачена и деформирована, то магнитные метки не фиксируются, вследствие известного свойства ферромагнитных материалов (стали) размагничиваться при деформации предварительно намагниченных труб.
В определенной таким способом зоне прихвата бурильной колонны скважинный аппарат останавливается, например, электродной системой на нижней точке прихвата. Затем в обсадную колонну подают промывочную жидкость (техническую воду) и осуществляют начальное натяжение бурильной колонны с усилием 2-3 тс и включают наземный пульт питания и управления скважинного аппарата. На зарядный блок аппарата начинает поступать переменное напряжение питания. В зарядном блоке это напряжение повышается, удваивается и выпрямляется. Конденсаторные модули в течение примерно 5-10 с заряжаются указанным выпрямленным напряжением до 30 кВ и накапливают электрическую энергию, например, 3 кДж. По достижении в конденсаторных модулях заданных уровней напряжения и энергии пробивается зазор между электродами газонаполненного коммутатора и напряжение конденсаторных модулей прикладывается к промежутку между анодом и катодом электродной системы аппарата, омываемых промывочной жидкостью. В промежутке между анодом и катодом электродной системы образуется сильно неоднородное электрическое поле, а в промывочной жидкости прорастают лидеры и через 5-10 мкс от момента подачи высокого напряжения происходит пробой промывочной жидкости. Амплитуда тока резко возрастает, скважинная жидкость интенсивно разогревается и испаряется. От канала разряда отходит ударная волна и скоростной гидропоток, которые оказывают сильное ударное воздействие на внутреннюю поверхность бурильных труб. Давление разряда на внутреннюю поверхность бурильных труб настолько велико (составляет от 65 до 160 МПа или от 650 до 1600 атм), что бурильная труба упруго расширяется на 6-17,5% по диаметру. После спада волны давления и образования волны разрежения бурильная труба восстанавливает свой первоначальный диаметр. Но так как бурильная труба изнутри имеет промывочную жидкость, а снаружи - горную породу с резко отличающимися от металла акустическими импедансами, то по телу бурильной трубы при каждом электрогидравлическом ударе проходят в радиальном направлении несколько раз прямые волны сжатия и отраженные волны (бурильная труба начинает «звенеть» - резонировать на собственной частоте). Кроме того, по телу трубы, как по волноводу, вверх и вниз от эпицентра электрогидравлического удара распространяются также продольные (поверхностные) волны. Т.е. бурильная колонна после каждого электрогидравлического удара совершает поперечные и продольные вынужденные колебания. Поднимая скважинный аппарат вверх и нанося по бурильным трубам через 10-20 сек (через каждые 25-50 см) повторяющиеся электрогидравлические удары, ослабляют сцепление бурильных труб с горной породой. При появлении признаков движения бурильной колонны увеличивают с поверхности земли натяжение колонны до 5-7 тс, а скважинный электрогидравлический аппарат при этом выключают. После освобождения бурильной колонны от прихвата и подъема ее на одну трубу («свечу») скважинный электрогидравлический аппарат поднимают на поверхность земли. Следом поднимают на поверхность и развинчивают трубу за трубой всю бурильную колонну.
th
Авторы в свое время при проектировании аппарата «ЭРА-5» (см. статью A.Ya.Kartelev, et al, "Electrohydraulic Hole Equipment for Oil Production Intensification and Detailed Seismic Prospection", Proc. 13 Int. Conf. on High-Power Particle Beams (Beams-2000), Nagaoka, Japan, June, (2000), Vol.II, pp.950-955) провели измерения параметров электрического разряда и ударной волны, генерируемых данным аппаратом внутри фрагмента обсадной колонны диаметром 146 мм.
Измерения показали (см. фиг.4-5), что при энергии в канале разряда примерно 1,35 кДж:
c
c
c
к
к
к
к
к
к
к
к
2
2
- коэффициент преобразования электростатической энергии конденсаторов W=CU /2, где C - емкость накопителя энергии, U - рабочее напряжение накопителя энергии, в энергию канала разряда W=∫U(t)·I(t)dt==∫R(t)·I (t)dt, где U(t) - напряжение в канале разряда, I(t) - ток в канале разряда, R(t) - активное сопротивление канала разряда, dt - длительность импульса тока, или, по другому, электрический к.п.д. η цепи разряда накопителя энергии составляет 74-84%;
- амплитуда тока составляет примерно 30 кА. Длительность импульса тока равна 7 мкс. Пауза тока не превышает 2 мкс. Мощность в разряде превышает 340 МВт;
- амплитуда давления составляет 60-80 МПа (600-800 атм). Длительность первого импульса давления 50 мкс, общая длительность импульса примерно 200 мкс. Длительность переднего фронта 5-30 мкс.
При подготовке настоящей заявки авторы провели также математическое моделирование (по специальной газодинамической программе, учитывающей эффекты упругопластики) работы в стальной бурильной колонне наружным диаметром 140 мм и толщиной стенки 10,5 мм имеющегося в их распоряжении скважинного электрогидравлического аппарата «ЭРА-5» с пятью конденсаторными модулями суммарной энергоемкостью 5 кДж. Энергия электрического разряда в скважинной промывочной жидкости в ходе расчетов варьировалась в диапазоне от 1 до 6,14 кДж.
Газодинамическое моделирование аппарата «ЭРА-5» показало (см. фиг.6-8), что при энергии электрического разряда в скважинной промывочной жидкости в диапазоне от 1 до 6,14 кДж:
- давление на внутренней стенке бурильной колонны достигает соответственно 65-160 МПа (или 650 атм-1600 атм);
- относительное расширение бурильной колонны по диаметру при этом составляет соответственно 6-17,5%.
Измеренные и рассчитанные амплитуды давлений коррелируют друг с другом и не превышают пределы текучести для стальных бурильных труб, равные 379-930 МПа, т.е. бурильные трубы не будут пластически деформироваться при электрическом разряде в промывочной жидкости с энерговыделением в 1-6,14 кДж. В то же время большое относительное упругое расширение бурильных труб (от 6 до 17,5%) позволяет говорить о том, что от сильного электрогидравлического удара резьбовое соединение между двумя соседними бурильными трубами будет прослабляться или эффект прилипания бурильных труб к глинистой горной породе будет устраняться.
Таким образом, авторы доказали, что за счет ввода в силовой и малоиндуктивный скважинный электрогидравлический аппарата серии «ЭРА-5» позиционирующего скважинного прибора, а точнее магнитной системы локатора муфт или прихватоопределителя, и выбора энергии электрического разряда аппарата в скважинной промывочной жидкости в диапазоне не менее 1 и не более 6 кДж можно осуществлять операции по ликвидации прихватов бурового инструмента и оборудования, причем за один рейс аппарата в скважину. По времени это будет занимать не более 3 часов (30-40 минут на спуск и 20-30 минут на подъем аппарата) и 1-2 часа на работу аппарата в скважине - колонне бурильных труб.