СТРУЙНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
JET CLEANING DEVICE FOR WELL SHAFT

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для промывки и очистки буровых скважин.
Известно устройство для промывки скважины - калибратор скважинный (свидетельство РФ на полезную модель №9880, МПК Е21В 10/26, опубл. бюл. №5 от 16.05.1999 г.), содержащий полый корпус с присоединительными резьбами на концах и установленные на нем лопасти с каналами на боковых гранях, снабженные насадками, оси которых пересекаются в точке, лежащей на окружности с радиусом, равным радиусу долота, при этом плоскость, проходящая через оси насадков, размещена под острым углом к оси корпуса вверх или вниз.
Недостатком этого устройства для промывки скважины является использование боковых насадков, создающих высоконапорные струи лишь на ограниченном участке скважинного пространства между устройством и стенкой скважины. Большая часть энергии двух высоконапорных струй затрачивается на турбулизацию промывочной жидкости, которая интенсивно перемешивается в зоне действия струй. Поэтому эффективность как снижения дифференциального давления на забое, так и эжекционного воздействия на подъем шлама, а также кольматирующее действие струй на стенки скважины ограничены.
Наиболее близким по технической сущности является устройство (патент РФ №2168000. МПК Е21В 21/00, 37/00, опубл. бюл. №16 от 10.06.2001 г.), представляющее собой гидромониторный наконечник для очистки стенок скважины, спускаемый на колонне бурильных труб. Устройство имеет кольцевую щель для создания сплошной конусной струи по периметру поперечного сечения инструмента, направленную под расчетным углом вверх. В процессе работы по очистке стенок скважины устройство поднимают из скважины на колонне бурильных труб с расчетной скоростью. Кольцевая щель в норме составляет 4 мм. Центральный канал устройства перекрывается шаром. Для случая, если кольцевая щель во время работы забьется твердыми частицами, для предотвращения резкого роста давления в трубах, т.е. с точки зрения техники безопасности, предусмотрена возможность аварийного увеличения размера щели. Для этого по нижнему краю щели установлена подвижная втулка, опирающаяся на резиновое кольцо, которое, в свою очередь, лежит на башмаке устройства. При увеличении давления внутри устройства упомянутое резиновое кольцо сжимается, а кольцевая щель расширяется. Таким образом, создается возможность для прохождения через щель частиц с поперечным размером более 4 мм. После выброса крупных частиц и уменьшения давления размер щели возвращается в исходному размеру.
Недостатком данного устройства является ограниченность его функциональных возможностей, заключающихся только в промывке скважины с целью очистки ее стенок без одновременной очистки забоя от шлама и углубления забоя, поэтому работа с устройством требует дополнительных затрат времени для полного подъема компоновки бурильного инструмента (КНБК), спуска устройства на бурильных трубах и проведение работ по очистке ствола скважины.
Техническими задачами предлагаемого изобретения являются:
1. Смягчение ударных нагрузок и продольных колебаний, возникающих в бурильном инструменте в процессе его спуска в скважину и при работе долота на забое скважины, т.к. струйный аппарат для очистки ствола скважины обеспечивает гидравлическое демпфирование долота как за счет работы верхнего демпфирующего узла при действии знакопеременных нагрузок, в том числе при выключенных буровых насосах, так и за счет упругого продольного гидравлического растягивающего усилия, действующего на долото и струйный аппарат изнутри под высоким давлением, при работе буровых насосов, открывая сплошной кольцевой конусный канал устройства, через который под высоким давлением выбрасывается промывочная жидкость.
2. Повышение функциональных возможностей струйного аппарата для очистки ствола скважины, заключающихся не только в промывке скважины, но и повышении эффективности кольматации (закупоривания пор и трещин и уменьшения проницаемости) проницаемых пород как в момент их вскрытия, так и в процессе проработки ствола перед спуском обсадной колонны с образованием на стенке скважины гидроизолирующего малопроницаемого кольматационного экрана за счет проникновения и упаковывания в порах и трещинах стенки скважины кольматирующих частиц промывочной жидкости, с большой скоростью истекающих из сплошного бокового кольцевого конусного канала устройства и при углублении забоя, за короткое время предотвращающих образование толстой глинистой или иной корки одновременно по всему периметру поперечного сечения вновь образовавшейся части стенки скважины, а при проработке ствола столь же интенсивно дополнительно кольматирующих проницаемую стенку скважины в процессе ее очистки от фильтрационной корки промывочной жидкости.
3. Увеличение технико-экономических показателей бурения (механической скорости и проходки на долото) путем создания полноценного эжекционного эффекта в заколонном пространстве скважины над долотом за счет формирования там сплошного кругового потока циркуляции по периметру поперечного сечения скважины через направленный вверх сплошной боковой кольцевой конусный канал устройства и, таким образом, повышения эффективности промывки скважины и выноса шлама, уменьшения завихрения восходящего из-под долота потока промывочной жидкости по сравнению с наддолотными устройствами, имеющими боковые одиночные и двойные насадки, эффективного снижения дифференциального давления на забое (уменьшения гидростатического давления и увеличения роли ударного воздействия гидромониторных струй промывочной жидкости) и, вследствие этого, повышения эффективности гидромониторного действия долота (эффективного разрушения горных пород на забое, эффективного очищения забоя от шлама, ускорения углубления скважины) и уменьшения интенсивности износа вооружения долота.
4. Снижение затрат времени для проведения работ по проработке ствола скважины перед спуском обсадной колонны с целью очистки стенок скважины от образовавшейся во время спуско-подъемных операций фильтрационной корки, с одновременной дополнительной кольматацией проницаемых пород и очистки забоя скважины от накопившегося шлама, совместно с использованием компоновки низа бурильной колонны (КНБК), включая долото, за счет создания сплошного конусного кругового потока промывочной жидкости в заколонном пространстве над долотом, направленного вверх или вниз, и охвата кратно большей площади стенки скважины в единицу времени по сравнению с известными КНБК.
Техническая задача решается предлагаемым струйным аппаратом для очистки ствола скважины, содержащим корпус с резьбой для соединения с колонной труб, переводник, полый ствол, соединяющий корпус с переводником и снабженный упорным кольцом и радиальными каналами для выброса промывочной жидкости в кольцевое пространство, подвижную относительно ствола втулку и демпфирующий узел.
Новым является то, что подвижная втулка жестко соединена с корпусом, образуя цилиндрическую полость корпуса, и снабжена снизу конусом, сужающимся книзу, а ствол соединен с корпусом с возможностью ограниченного продольного перемещения, упорное кольцо жестко соединено со стволом, образуя поршень, вставленный в цилиндрическую полость корпуса, надпоршневая полость которого, играющая роль демпфера, сообщена с полостью ствола через дросселирующий канал ствола, при этом переводник сверху снабжен не перекрывающими радиальные каналы ствола внутренней кольцевой полостью и конусным расширением с углом наклона, соответствующим углу расширения конуса втулки, образуя сплошной кольцевой конусный канал.
На фиг.1 изображен струйный аппарат в продольном разрезе. На фиг.2 изображен разрез А-А.
Струйный аппарат содержит корпус 1 (фиг.1) с резьбами 2 и 3 для жесткого соединения соответственно с колонной бурильных труб или с забойным двигателем (на фиг.1 не показаны) и с подвижной относительно ствола 4 втулкой 5, образуя цилиндрическую полость 6 корпуса 1, переводник 7 с резьбой 8 для соединения с долотом (на чертеже не показано) и резьбой 9 для соединения со стволом 4, втулки 5, снабженной снизу конусом 10, сужающимся книзу, полый ствол 4, соединяющий корпус 1 с переводником 7 и снабженный упорным кольцом 11 (выполненным, например, в виде гайки-стопора) и радиальными каналами 12 для выброса промывочной жидкости в кольцевое пространство 13 скважины (на фиг.1 показано условно) и соединенный с корпусом 1 с возможностью ограниченного продольного перемещения, демпфирующий узел, включающий упорное кольцо 11, жестко соединенное со стволом 4, образуя поршень, вставленный в цилиндрическую полость 6 корпуса 1, надпоршневая полость 6 которого, играющая роль демпфера, сообщена с полостью 14 ствола 4 через дросселирующий канал 15 ствола 4, при этом переводник 7 сверху снабжен не перекрывающими радиальные каналы 12 ствола 4 внутренней цилиндрической кольцевой полостью 16 и конусным расширением 17 с углом наклона, соответствующим углу расширения конуса 10 втулки 5, образуя сплошной кольцевой конусный канал 18. Ствол 4 вставлен во втулку 5 без возможности проворота за счет, например, шлицевого соединения 19 (фиг.2).
Сборку струйного аппарата производят в цеховых условиях следующим образом.
Смазывают соответствующей смазкой сопрягаемые поверхности ствола 4 (фиг.1), втулки 5 и упорного кольца 11 и устанавливают на них уплотнительные кольца. Втулку 5 надевают сверху, например, на шлицевое соединение 19 (фиг.2) ствола 4 (фиг.1). На ствол 4 наворачивают гайку-стопор 11. Производят наворот резьбовых соединений 3 и 9 с использованием моментомеров отдельно для каждой резьбы.
Струйный аппарат работает следующим образом.
В процессе бурения скважины струйный аппарат устанавливается в компоновку низа бурильной колонны (КНБК) (на фиг.1 не показано) непосредственно над долотом и спускается в скважину, при этом полость 6 (фиг.1) заполняется промывочной жидкостью через дросселирующий канал 15. Во время спуска КНБК без промывки при осевых ударных нагрузках на долото в интервале уступов и каверн, часть промывочной жидкости выбрасывается из полости 6 через дросселирующий канал 15, смягчая ударные нагрузки на долото. После включения буровых насосов под действием гидравлического давления на долото создается перепад давления, оказывающий гидравлическое растягивающее усилие на струйный аппарат изнутри, отчего конусный канал 18 открывается полностью, создавая максимальный поток циркуляции, при этом расчетная часть промывочной жидкости направляется через долото. При этом поток жидкости, истекающий из радиальных каналов 12, растекается по цилиндрической кольцевой полости 16, проходя предварительную подготовку для формирования сплошной кольцевой конусной струи, а затем окончательно формируя ее в кольцевом конусном канале 18 между параллельными конусными поверхностями: конусом 10 втулки подвижной 5 и конусным расширением 17 переводника 7. После спуска бурильного инструмента, включающего сверху вниз бурильные трубы, забойный двигатель (который при роторном бурении может отсутствовать) и КНБК, т.е. заявляемый струйный аппарат для очистки ствола скважины и долото (на фиг.1 и 2 не показано) при непрерывной промывке скважины промывочной жидкостью, вращении КНБК и соприкосновении долота с забоем скважины, бурильный инструмент частично разгружается на забой.
В момент соприкосновения долота с забоем и в процессе вращательного бурения, струйный аппарат играет роль наддолотного демпфера за счет частичного выброса промывочной жидкости из полости 6 (фиг.1) через дросселирующий канал 15 ствола 4, независимо от работы буровых насосов, и за счет упругого гидравлического растягивающего усилия, действующего на долото и струйный аппарат изнутри под высоким давлением, при работе буровых насосов, открывая сплошной кольцевой конусный канал 18 устройства и смягчая ударные и колебательные нагрузки на долото. Устройство обеспечивает гидравлическое демпфирование долота за счет надпоршневой полости 6 между корпусом 1 и упорным кольцом, выполненным, например, в виде гайки-стопора 11 ствола 4, играющей роль демпфера, периодически заполняемого и освобождаемого в процессе работы устройства от промывочной жидкости при уменьшении и увеличении осевой нагрузки на долото через дросселирующий канал 15, сообщающийся с полостью 14 ствола 4, при этом гайка-стопор 11 ствола 4 работает как гидравлический поршень, а также за счет упругого гидравлического растягивающего усилия, действующего на долото и струйный аппарат изнутри и защищающего долото от ударных нагрузок при частично или полностью открытом сплошном кольцевом конусном канале 18 устройства, через который под высоким давлением выбрасывается промывочная жидкость между переводником устройства 7, соединенного с долотом и подвижной втулкой 5, в свою очередь, соединенной с корпусом 1 и, далее, с бурильной колонной или забойным двигателем. Таким образом, гидравлический демпфирующий эффект проявляется и опоры долота предохраняются от ударных перегрузок как при спуске инструмента без промывки, при ударной осевой нагрузке на долото при посадке (ударе) инструмента на неровности стенки скважины, так и в процессе механического углубления скважины при работе долота, вращении его с сильной вибрацией на забое скважины при включенных буровых насосах.
Выполнив дросселирующий канал непосредственно в гайке-стопоре 11 ствола 4 и заполнив рабочей жидкостью (маслом) герметичную камеру, в которой находится гайка-стопор 11, можно по типу автомобильных амортизаторов демпфировать осевое движение долота в пределах заданного люфта в обоих направлениях (и вверх и вниз).
В процессе работы струйного аппарата в скважине как при углублении забоя, так и при проработке ствола перед спуском обсадной колонны достигается повышение эффективности кольматации проницаемых пород с образованием на стенке скважины гидроизолирующего малопроницаемого кольматационного экрана за счет проникновения и упаковывания в порах и трещинах стенки скважины твердых кольматирующих частиц промывочной жидкости, с большой скоростью истекающих из сплошного бокового кольцевого конусного канала 18, и оптимизация промывки стенки скважины за счет создания направленной под углом вверх или вниз к стенке скважины замкнутой сплошной высоконапорной конусной струи, исходящей из упомянутого кольцевого конусного канала и действующей по всему кольцевому сечению ствола скважины. Т.е. кольматация и промывка производятся, по сравнению с аналогами, одновременно на большой площади стенки скважины и за кратно меньшее время. Причем при углублении забоя за короткое время достигается предотвращение образования толстой глинистой или иной корки одновременно по всему периметру поперечного сечения вновь образовавшейся части стенки скважины, а при проработке ствола - столь же интенсивная дополнительная кольматация проницаемой стенки скважины в процессе ее очистки от фильтрационной корки промывочной жидкости.
Струйный аппарат обеспечивает полный охват заколонного пространства скважины в призабойной зоне дополнительным потоком циркуляции. При этом сплошная конусная струя, выходящая из кольцевого конусного канала 18, позволяет снизить завихрения восходящего из-под долота потока промывочной жидкости в интервале заявляемого устройства, по сравнению с наддолотными устройствами, имеющими боковые одиночные и двойные насадки. За счет инициирования эжекционного эффекта в заколонном пространстве скважины над долотом в интервале расположения струйного аппарата путем формирования там сплошного кругового потока циркуляции через сплошной боковой кольцевой конусный канал 18 устройства, при конусной струе, направленной вверх, происходит повышение эффективности промывки скважины и принудительное и немедленное удаление всего полученного шлама из-под долота. При этом за счет снижения дифференциального давления на забое (уменьшения гидростатического давления и увеличения роли ударного воздействия гидромониторных струй промывочной жидкости на забой скважины) возрастает эффективность гидромониторного действия высоконапорных струй, истекающих из насадков долота, и эффективность работы долота в целом. Повышается эффективность разрушения горных пород на забое, эффективность очищения забоя от шлама, ускоряется процесс углубления скважины и уменьшается интенсивность износа вооружения долота. Поэтому повышаются механическая скорость бурения и проходка на долото.
При вращении долота на забое скважины зубья долота и гидромониторные струи, истекающие из его насадков, по всей площади забоя разрушают горную породу, образуя шлам, вынос которого с забоя и принудительный подъем вверх по заколонному кольцевому пространству ускоряется с помощью струйного аппарата при промывке скважины под высоким давлением. При этом на долото и на весь бурильный инструмент в целом действуют сильные вибрационные нагрузки, которые гасятся за счет демпфирующих свойств заявляемого устройства, а осевое усилие разгрузки бурильного инструмента на долото, по мере работы последнего и углубления забоя скважины постоянно изменяется в сторону уменьшения. При этом увеличивается ширина конусного щелевого отверстия 18 между подвижной втулкой 5 и переводником 7. Поэтому бурильный инструмент от устья скважины периодически дозированно разгружается на долото для уменьшения ширины конусного щелевого отверстия 18, сохранения необходимого осевого усилия на вооружение (зубья) долота и оптимального режима промывки скважины, создания необходимых условий для успешного разрушения горной породы и продолжения непрерывного углубления забоя с заданной интенсивностью. При этом момент вращения от вала забойного двигателя или от колонны бурильных труб передается через корпус 1 на подвижную втулку 5, а затем через, например, шлицевое соединение 19 (фиг.2) на ствол 4 (фиг.1), далее на переводник нижний 7 и на долото. При этом ширина конусного щелевого отверстия 18 между подвижной втулкой 5 и переводником 7 регулируется нагрузкой на долото и может изменяться в пределах расчетных величин, обеспечивающих одновременно как промывку забоя, так и обработку ствола скважины. С изменением ширины конусного отверстия 18, а значит, его площади с учетом суммарной площади промывочных отверстий на долоте изменяются скорость истечения струи, ее расход, давление и энергия. Тем самым создаются широкие возможности регулирования и оптимизации характеристик промывки забоя скважины путем изменения одного параметра нагрузки на долото. Косвенным количественным показателем оптимальной нагрузки на долото и оптимальной промывки забоя, при конусной струе, направленной вверх, является достижение максимальной механической скорости для данного интервала разреза скважины и для данной КНБК, а также максимальное количество шлама, выходящего из скважины в единицу времени. Указанные максимальные показатели изменяются во времени и достигаются практическим путем при бурении каждого нижеследующего интервала.
Струйный аппарат для очистки ствола скважины используется также при проработке ствола скважины перед спуском обсадной колонны с целью очистки стенок скважины от образовавшейся во время спуско-подъемных операций фильтрационной корки и шлама с одновременной дополнительной кольматацией проницаемых пород. Ввиду создания заявляемым струйным аппаратом в заколонном пространстве скважины сплошной конусной струи, истекающей из кольцевого конусного канала 18, он может быть использован как в компоновке с забойным двигателем, так и при роторной компоновке, причем при использовании роторной компоновки для проработки ствола скважины не требуется непрерывное вращение бурильного инструмента для очистки стенок скважины от фильтрационной корки и шлама. При этом совместно с использованием компоновки низа бурильной колонны (КНБК), включая долото, за счет создания сплошного конусного кругового потока промывочной жидкости, истекающей из кольцевого конусного канала 18 в заколонном пространстве над долотом, направленного вверх или вниз. и охвата кратно большей площади стенки скважины в единицу времени по сравнению с известными КНБК, достигается снижение затрат времени для проведения работ по проработке ствола скважины перед спуском обсадной колонны.
Предлагаемая конструкция струйного аппарата для очистки ствола скважины обеспечивает смягчение ударных нагрузок и продольных колебаний, возникающих в бурильном инструменте в процессе его спуска в скважину и при работе долота на забое, позволяет повысить эффективность кольматации проницаемых пород сразу же после их вскрытия бурением и снизить толщину корки, образованной на стенке скважины за счет фильтрации жидкой фазы промывочной жидкости, увеличить технико-экономические показатели бурения (проходку на долото и механическую скорость), а также снизить затраты времени для проведения работ по проработке ствола перед креплением скважины.