Долото-башмак

Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована в качестве породоразрущающего инструмента, то есть долота для бурения на обсадной колонне при строительстве нефтяных и газовых скважин. Технический результат заключается в обеспечении возможности проходки скважин в мягких и средних породах с одновременной обсадкой.
Предпосылки для создания полезной модели.
Анализ существующего уровня техники в данной области показал следующее.
Одним из элементов технологической оснастки обсадных колонн являются башмаки, применяемые для успешного спуска обсадных колонн и нормальной последующей эксплуатации скважин. Существуют башмаки разных конструкций и области применения: вибробашмаки, применяемые при строительстве и ремонте скважин, например при цементаже, профилактических промывках, для установки профильных перекрывателей и хвостовиков. Для селективной эксплуатации и обработки продуктивных пластов применяют башмаки-клапаны различных конструкций. Колонные башмаки типа БК, ранее называвшиеся колонными направляющими пробками, предназначены для оборудования низа обсадных колонн, направления их по стволу скважины и защиты от повреждения при спуске.
Технология бурения на обсадной колонне предлагает одну из нескольких альтернатив. Эта система сокращает количество спуско-подъемных операций (СПО), что, в свою очередь, ускоряет процесс бурения. Основным преимуществом бурения с обсаживанием является снижение затрат времени, в частности сокращается время, затрачиваемое на спускоподъемные операции с бурильными трубами и на спуск обсадных труб, в том числе на промывку. При бурении с обсаживанием сокращается необходимость в элементах стандартной компоновки низа бурильной колонны (КНБК) и можно исключить потребность в одной или нескольких колоннах бурильных труб.
Области применения технологии бурения на обсадной колонне:
- диапазон условий применения от мягких пород 1-3 категории твердости и до глубоких эксплуатационных нефтегазовых коллекторов;
- бурение направляющей колонной или кондуктором за одну СПО, что сокращает время простоя;
- бурение обсадной колонной через осложненные интервалы, такие как зоны потери циркуляции, зоны с различными условиями и неустойчивые породы.
Технология бурения на обсадной колонне может применяться при бурении осложненных интервалов с катастрофическими зонами поглощений, переходных зон со знакопеременным давлением, а также обеспечивает устойчивость открытого ствола скважины, исключая частичное осыпание или разрушение ее стенок при разбуривании осыпающихся глин, за счет уменьшения времени нахождения стенок скважины в открытом состоянии и исключения спуско-подъемных операций при строительстве скважины.
Известен буровой башмак (патент США №7096982 McKay et al.), корпус которого выполнен из относительно мягкого материала, в котором установлены лопасти из твердого материала. Лопасти, как правило стальные, дополнительно оснащены PDC-резцами (Polycrystalline Diamond Compact). При достижении необходимой глубины бурения активируется перемещающий элемент для выталкивания мягкого материала и сгибания лопастей к боковым стенкам кольцевого пространства. Затем перемещающий элемент может быть пробурен последующим долотом. Буровой башмак обеспечивает опорный механизм режущей структуры стальными лопастями достаточно прочными для воздействия нагрузок при бурении.
Недостаток известного бурового башмака - возникновение аварий при неполном раскрытии бурового башмака, ввиду того, что недостаточно усилий, прилагаемых для выталкивания и сгибания лопастей.
Из уровня техники известен башмак с элементами расширительного долота и носовой частью, выполненными из алюминиевого или цинкового сплава для обеспечения возможности пробуривания носовой части (патенты США №6401820 и №6659173 Kirk et al.).
Недостаток указанных устройств - необходимость пробуривания башмака с большой потерей времени и средств, так как приходится разбуривать лопасти с резцами PDC, которые изготавливаются из очень прочных материалов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является долото 295,3 мм с раздвигающимися лопастями производства ООО «БУРИНТЕХ» (патент РФ на полезную модель №156923, МПК Е21В 10/64. «Долото для бурения на обсадной колонне» от 20.04.2015 г., опубл.: 20.11.2015 г., Бюл. №32), выбранное в качестве прототипа.
Долото для бурения на обсадной колонне применяется для бурения с использованием колонны обсадных труб в породах категории твердости 1-3. Особенности данной конструкции следующие: долото содержит центральный узел из легкоразбуриваемого материала, раздвигающиеся под давлением стальные лопасти, PDC резцы премиум класса.
Недостатком прототипа является возможное возникновение аварий при неполном раскрытии лопастей долота-башмака.
Основной целью настоящей полезной модели является повышение надежности и эффективности процесса бурения скважин в осложненных горно-геологических условиях, предотвращение возникновения аварийных ситуаций, расширение функциональных возможностей устройства посредством улучшения управления работой долота-башмака, который может быть использован в качестве породоразрушающего инструмента и центратора при последующем цементировании обсадной колонны.
Поставленная цель достигается заявляемым техническим решением.
Долото-башмак для бурения скважин на обсадной колонне состоит из корпуса с присоединительной резьбой, центральным каналом и узлом из легкоразбуриваемого материала, с отверстиями для промывочной жидкости, раздвигающимися под ее давлением стальными лопастями и поликристаллическими алмазными резцами PDC премиум класса.
Новым является то, что корпус долота-башмака выполнен с направляющими винтовыми канавками, причем раздвижные стальные лопасти выполнены с возможностью открытия по направляющим винтовым канавкам для значительного снижения затрачиваемых усилий при полном открытии раздвижных стальных лопастей долота-башмака, перемещения и ориентации раздвижных стальных лопастей по направляющим винтовым канавкам корпуса.
Новым является и то, что долото-башмак используется в качестве центратора при последующем цементировании обсадной колонны.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на:
- фиг. 1 представлено долото-башмак в транспортном положении;
- фиг. 2 показано долото-башмак с функцией центратора.
Предлагаемое долото-башмак для бурения скважин на обсадной колонне (фиг. 1, фиг. 2) состоит из корпуса 1 с присоединительной резьбой (для соединения с элементами стандартной КНБК), узлом из легкоразбуриваемого материала и центральным каналом (на фиг. не обозначены), промывочными отверстиями 2 для промывочной жидкости и раздвижными стальными лопастями 3, оснащенными поликристаллическими алмазными резцами PDC 4. Корпус 1 содержит направляющие винтовые канавки 5 (фиг. 1), которые служат для ориентации и полного открытия раздвижных стальных лопастей 3 по данным канавкам 5. Долото-башмак работает следующим образом.
Корпус 1 долота-башмака с помощью присоединительной резьбы соединяют с элементами КНБК (на фиг. не показана) на устье скважины и КНБК плавно спускают в скважину, соблюдая осторожность при прохождении через стол ротора и устьевое оборудование, так как выступающие края могут повредить калибрующую поверхность и вооружение долота, при этом раздвижные стальные лопасти 3 находятся в закрытом состоянии (фиг. 1).
После дохождения до забоя, когда долото-башмак коснулось забоя, обычно резко возрастает крутящий момент, при этом приподнимают долото-башмак над забоем на 1,5-2 метра, при сохранении полной циркуляции и низкой частоты вращения в течение, приблизительно 5-10 минут для очистки забоя скважины.
Далее начинают бурение с нагрузкой не более 1000 кг до формирования нового профиля забоя - 30-60 см. Прирабатывают долото-башмак на щадящих режимах бурения на дистанции 2-3 м. Добавляют нагрузку на долото по 0,5-1 тонне до допустимой, сохраняют постоянную нагрузку в равные интервалы времени (5… 10 минут). Подбирают оптимальные параметры режима бурения: нагрузку на долото-башмак, подачу промывочной жидкости, количество оборотов с целью получения максимальной механической скорости. Оптимальной является нагрузка на долото-башмак, при которой было пробурено максимальное количество метров в определенный интервал времени, в частности эти значения нагрузки на долото-башмак и скорости вращения бурильной колонны определяются только для конкретных условий бурения и могут непрерывно применяться только в сходных горно-геологических условиях. Начальная величина скоростей вращения бурильной колонны обычно берется из данных по проводке предыдущих скважин в сходных горно-геологических условиях, либо берется минимальное значение рабочих характеристик, указанных в спецификации.
Максимальное значение нагрузки на долото-башмак обычно берется из наибольших значений рабочих характеристик, указанных в спецификациях или исходя из реального веса применяемых утяжеленных бурильных труб (УБТ), либо из максимально допустимых значений, определяемых другими условиями бурения (искривление ствола, вибрации). Так, например, в условиях компании ПАО «Татнефть» бурение проводят со следующими параметрами:
- механическая скорость 20 м/ч;
- нагрузка 2… 10 тн;
- частота вращения 40… 120 об/мин;
- расход промывочной жидкости 30…55 л/с.
После вскрытия зон с полным поглощением промывочной жидкости проводят снижение расхода жидкости до 16 л/с.
Под действием осевой нагрузки и крутящего момента резцы PDC 4 разрушают породу, которая выносится на поверхность через зазоры между стенками скважины и наружной поверхностью корпуса 1 промывочной жидкостью, нагнетаемой через промывочные отверстия 2 в корпусе 1. При этом породоразрушающий инструмент - раздвижные стальные лопасти 3 контактируют со стенками скважины, обеспечивая надежную центровку инструмента в скважине и сохранение заданного направления бурения.
Технология использования предлагаемого долота-башмака после достижения проектного забоя скважины состоит в активации долота-башмака путем сброса пластикового шара и поднятия давления с помощью агрегата ЦА-320 для раздвижения стальных лопастей 3 долота-башмака. Раздвижные стальные лопасти 3 перемещаются и ориентируются по направляющим винтовым канавкам 5, что значительно снижает затрачиваемые усилия и облегчает открытие долота-башмака. В дальнейшем, при последующем цементировании обсадной колонны, долото-башмак используется как центратор. Процесс цементирования колонны производится по традиционной технологии. После ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) и монтажа превентора производится спуск компоновки на бурильных трубах с долотом PDC для разбуривания цементного камня и последующего бурения.
Технология бурения на обсадной колонне предлагает одну из нескольких альтернатив. Эта система сокращает количество спуско-подъемных операций (СПО), что, в свою очередь, ускоряет процесс бурения. Основным преимуществом бурения с обсаживанием является снижение затрат времени, в частности сокращается время, затрачиваемое на спускоподъемные операции с бурильными трубами и на спуск обсадных труб, в том числе на промывку. При бурении с обсаживанием сокращается необходимость в элементах стандартной компоновки низа бурильной колонны (КНБК) и можно исключить потребность в одной или нескольких колоннах бурильных труб.
Области применения технологии бурения на обсадной колонне:
- диапазон условий применения от мягких пород 1-3 категории твердости и до глубоких эксплуатационных нефтегазовых коллекторов;
- бурение направляющей колонной или кондуктором за одну СПО, что сокращает время простоя;
- бурение обсадной колонной через осложненные интервалы, такие как зоны потери циркуляции, зоны с различными условиями и неустойчивые породы.
Технология бурения на обсадной колонне может применяться при бурении осложненных интервалов с катастрофическими зонами поглощений, переходных зон со знакопеременным давлением, а также обеспечивает устойчивость открытого ствола скважины, исключая частичное осыпание или разрушение ее стенок при разбуривании осыпающихся глин, за счет уменьшения времени нахождения стенок скважины в открытом состоянии и исключения спуско-подъемных операций при строительстве скважины.
Преимущества предлагаемого долота-башмака заключаются в надежности и долговечности конструкции, в повышении эффективности строительства скважин в осложненных горно-геологических условиях, в частности: интервалах с частичной или полной потерей циркуляции из-за разрыва проницаемых или трещиноватых пластов, зонах неустойчивых горных пород, интервалах многолетнемерзлых грунтов.
Долото-башмак выполнено в строгом соответствии с нормативными требованиями пожаро-, взрывобезопасности и соответствует требованиям безопасности труда и охраны окружающей среды.
Данное заявляемое техническое решение отражает специфику нефтяного производства, приводит к комплексному положительному научно-техническому результату и расширению функциональных возможностей устройства.