Способ для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины и устройство для его осуществления
METHOD FOR FORMING PROTECTIVE TUBE SIMULTANEOUSLY WITH WELL DRILLING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области бурения грунта и заканчивания скважины и к устройству для его осуществления, в частности к способу и устройству для одновременного бурения и заканчивания скважин при их строительстве.
Известен общепринятый способ строительства скважины, например, «Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин» - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003, Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А., при которой строительство скважины осуществляется отдельными интервалами, строительство одного интервала состоит из трех основных этапов: бурения, установки колонны обсадных труб, цементирования колонны обсадных труб.
Недостатками общепринятого способа строительства скважин являются уменьшение диаметра скважины при строительстве последующих интервалов, повышенное время строительства скважины, вызванное наличием дополнительных спуско-подъемных операций по сборке и спуску в скважину колонны обсадных труб, а в случае появления осложнений - по разборке и подъему из скважины обсадных труб, входящих в состав обсадной колонны, наличие дополнительных затрат, вызванных необходимостью закупки обсадных труб и дополнительного оборудования для обеспечения спуско-подъемных операций с колоннами обсадных труб и выполнения дорогостоящих технологических операций.
Известен «Способ бурения и заканчивания скважины и устройство для его осуществления» (см. патент RU 2231610 C2, МПК Е21В 7/20; 21/00, 33/138), при осуществлении которого в подземном пласте с помощью буровой коронки бурят скважину, имеющую боковую стенку, на которую наносят под давлением проникающей в нее и образующей на ней покрытие затвердевающий цементирующей материал, при этом в буровую коронку во время бурения, отдельно от затвердевающего цементирующего материала подают буровой раствор, который возвращают на поверхность для удаления из зоны бурения пласта обломков выбуренной породы, при этом покрытую затвердевающим цементирующим материалом боковую стенку скважины зачищают скребком заданного профиля, придавая ей необходимую в поперечном сечении форму, при этом отработанный буровой раствор вместе с обломками породы из зоны бурения удаляют посредством центральной возвратной трубы, расположенной в буре между трубами для подачи затвердевающего цементирующего материала, по которой отработанный буровой раствор из бура попадает внутрь пробуренной и законченной скважины с последующей его транспортировкой на поверхность, причем буровой раствор подают к буровой коронке посредством образующей канал кольцевой полости, расположенной между внутренними стенками бура, центральной возвратной трубой и трубами для подачи затвердевающего цементирующего материала, а уносимые буровым раствором из зоны бурения обломки породы измельчают в центральной возвратной трубе.
Недостатком данного способа являются:
- подача в бур готового затвердевающего цементирующего материала, что может вызвать осложнения при спускоподъемных операциях по замене буровой коронки, так как затвердевающий цементирующий материала остается в бурильной колонне;
- отсутствие мероприятий, обеспечивающих возможность снижения или предотвращения нежелательной передачи вращающего момента на устройство для формования защитной трубы, что может привести к скручиванию бурильной колонны на которой закреплен бур;
- отсутствие мероприятий, обеспечивающих надежное предотвращение контакта бурового раствора и затвердевающего цементирующего материала, что может привести как к разбавлению затвердевающего цементирующего материала буровым раствором, приводящее к изменению физических свойств затвердевающего цементирующего материала, так и попадание затвердевающего цементирующего материала в буровой раствор, что может вызвать осложнения при удалении отработанного бурового раствора;
- отсутствие мероприятий, обеспечивающих надежное предотвращение попадания частиц и фрагментов выбуренной породы в затвердевающей цементирующий материал, что может изменить прочностные характеристики создаваемого на стенке скважины покрытия.
Известен «Способ и устройство для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины» (см. патент US 3935910, МПК Е21В 7/00), взятый за прототип, при осуществлении которого в подземном пласте с помощью бурового инструмента бурят скважину, имеющую боковую стенку, на которую наносят под давлением проникающей в нее формовочный материал, образующей на ней первичную трубу, при этом покрытую формовочным материалом боковую стенку скважины зачищают формирователем первичной трубы заданного профиля, а затем на первичную трубу наносят формовочный материал, который также зачищают формирователем внутренней поверхности скважины заданного диаметра заданного профиля, образующий внутреннюю поверхность скважины заданного диаметра, при этом в буровой инструмент во время бурения, отдельно от формовочных материалов подают буровой раствор, который потом возвращают на поверхность для удаления из зоны бурения пласта обломков выбуренной породы, при этом зону бурения отделяют от зоны подачи формовочного материала экраном, обеспечивающим защиту от попадания частиц и фрагментов выбуренной породы в формовочный материал, при этом перемещение бурового инструмента и устройства для формования защитной трубы осуществляют с помощью механизма перемещения, состоящего из одного подвижного и одного неподвижного устройств перемещения.
Недостатками данного способа являются:
- отсутствие армирования защитной трубы, которое обеспечивает повышение прочности и ударопрочности затвердевших формовочных материалов;
- отсутствие непрерывного процесса бурения и формования внутренней поверхности скважины, вызванного наличием в механизме перемещения бурового инструмента и устройства для формования защитной трубы только одного подвижного устройства перемещения;
- возможность нежелательной передачи вращающего момента на устройство для формования защитной трубы, что может привести к скручиванию гибкого рукава.
Известно техническое решение (см. патент RU 2231610 C2, МПК Е21В 7/20; 21/00, 33/138 «Способ бурения и заканчивания скважины и устройство для его осуществления»), содержащее бур с отверстием для приема отработанного бурового раствора из зоны бурения, возвратную трубу, выходные трубы, с расположенной на одном из его концов буровой коронкой с отверстиями для подачи бурового раствора в зону бурения, трубой для подачи бурового раствора, расположенной на другом конце бура, трубу для подачи в бур затвердевающего, цементирующего материала, отверстия для подачи затвердевающего, цементирующего материала внутрь пробуренного участка скважины, скребок, корпус, измельчающее устройство, насос для откачки отработанного бурового раствора.
Недостатком данного технического решения являются:
- отсутствие оборудования, обеспечивающего возможность снижения или предотвращения нежелательной передачи вращающего момента на устройство для формования защитной трубы, что может привести к скручиванию бурильной колонны на которой закреплен бур;
- отсутствие оборудования, обеспечивающего надежное предотвращение контакта бурового раствора и затвердевающего цементирующего материала, что может привести как к разбавлению затвердевающего цементирующего материала буровым раствором, приводящее к изменению физических свойств затвердевающего цементирующего материала, так и попадание затвердевающего цементирующего материала в буровой раствор, что может вызвать осложнения при удалении отработанного бурового раствора;
- отсутствие оборудования, обеспечивающего надежное предотвращение попадания частиц и фрагментов выбуренной породы в затвердевающей цементирующий материал, что может изменить прочностные характеристики создаваемого на стенке скважины покрытия.
Известно техническое решение (см. патент US 3935910, МПК Е21В 7/00 «Способ и устройство для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины»), взятое за прототип, содержащее буровой инструмент, двигатель для его вращения, экран, формирователь первичной трубы для формирования первичной трубы, снабженный устройством ускорения фиксации, например, нагревательными элементами и зоной впрыска на нижнем конце, формирователь внутренней поверхности скважины заданного диаметра, расположенный над формирователем первичной трубы, для формирования внутренней поверхности скважины заданного диаметра, снабженный устройством ускорения фиксации, например, нагревательными элементами и зоной впрыска на нижнем конце, подающие контуры для подачи формовочного материала для первичной трубы в зону впрыска формирователя первичной трубы и для подачи формовочного материала для внутренней поверхности скважины заданного диаметра в зону впрыска формирователя внутренней поверхности скважины заданного диаметра, для циркуляции бурового раствора, линию энергоснабжения двигателя, гибкий рукав внутри которого установлены все контуры, перемешиватели компонентов формовочных материалов, при этом подающие контуры для подачи формовочных материалов содержат по два канала для подачи компонентов формовочных материалов в перемешиватели, клапаны, управляющие подачей одного из компонентов в перемешиватели и клапаны, управляющие подачей перемешанных формовочных материалов в зону впрыска, механизм перемещения бурового инструмента и устройства для формования защитной трубы, состоящий из одного подвижного и одного неподвижного устройств перемещения.
Недостатками известного технического решения являются:
- отсутствие механизмов, обеспечивающих армирование защитной трубы, которое повышает прочность и ударопрочность затвердевших формовочных материалов;
- отсутствие механизмов, обеспечивающих непрерывный процесс бурения и формования внутренней поверхности скважины, вызванного наличием в механизме перемещения бурового инструмента и устройства для формования защитной трубы только одного подвижного устройства перемещения;
- отсутствие мероприятий, обеспечивающих возможность снижения или предотвращения нежелательной передачи вращающего момента на устройство для формования защитной трубы, что может привести к скручиванию гибкого рукава.
Задачей предлагаемого изобретения является:
- обеспечение непрерывного процесса бурения и формования внутренней поверхности скважины;
- обеспечение повышенной прочности и ударопрочности защитной трубы путем ее армирования;
- исключение скручивания гибкого рукава за счет обеспечения снижения или предотвращения нежелательной передачи вращающего момента на устройство для формования защитной трубы.
Поставленная задача достигается тем, что одновременно с бурением скважины при осуществлении которого в подземном пласте с помощью бурового инструмента бурят скважину, имеющую боковую стенку, на которую наносят под давлением проникающей в нее формовочный материал, образующей на ней первичную трубу, при этом покрытую формовочным материалом боковую стенку скважины зачищают формирователем первичной трубы заданного профиля, а затем на первичную трубу наносят формовочный материал, который также зачищают формирователем внутренней поверхности скважины заданного диаметра заданного профиля, образующий внутреннюю поверхность скважины заданного диаметра, при этом в буровой инструмент во время бурения, отдельно от формовочных материалов подают буровой раствор, который потом возвращают на поверхность для удаления из зоны бурения пласта обломков выбуренной породы, при этом зону бурения отделяют от зоны подачи формовочного материала экраном с зоной приема загрязненного бурового раствора, обеспечивающим защиту от попадания частиц и фрагментов выбуренной породы в формовочный материал, при этом перемещение устройства по формованию защитной трубы одновременно с бурением скважины осуществляют с помощью механизма перемещения, при этом бурение осуществляют двумя буровыми инструментами, представляющими собой, например, долото и расширитель, вращающимися в противоположных направлениях, в процессе формования защитной трубы производят ее армирование путем нанесения армирующего материала на внутреннюю поверхность первичной трубы, а перемещение устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины осуществляют непрерывно с помощью механизма перемещения, выполненного из двух подвижных устройств перемещения, также армирование защитной трубы может быть произведено путем нанесения армирующего материала на внутреннюю поверхность первичной трубы и добавления армирующих волокон в формовочные материалы первичной трубы и трубы заданного профиля.
При этом устройство для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины содержит буровой инструмент, двигатель для его вращения, экран с зоной приема загрязненного бурового раствора, формирователь первичной трубы с устройством ускорения фиксации формовочного материала, перемешивателем формовочного материала и зоной впрыска формовочного материала, формирователь внутренней поверхности скважины заданного диаметра, расположенный над формирователем первичной трубы, с устройством ускорения фиксации формовочного материала, перемешивателем формовочного материала и зоной впрыска формовочного материала и с зоной отвода бурового раствора, гибкий рукав с контурами для подачи формовочного материала для первичной трубы в зону впрыска формирователя первичной трубы и для подачи формовочного материала для внутренней поверхности скважины заданного диаметра в зону впрыска формирователя внутренней поверхности скважины заданного диаметра, для подвода бурового раствора, линию энергоснабжения двигателя, при этом подающие контуры для подачи формовочных материалов содержат, например, по два канала для подачи компонентов формовочных материалов в перемешиватели, клапаны, управляющие подачей одного из компонентов в перемешиватели и клапаны, управляющие подачей перемешанных формовочных материалов в зоны впрыска, механизм перемещения устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины, включающий в себя одно подвижное устройство, при этом буровой инструмент выполнен в виде двух буровых инструментов, представляющих собой, например, долото и расширитель, устройство для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины дополнительно снабжено редуктором, служащим для передачи крутящего момента на долото, устройством армирования и дополнительным уплотнителем, установленным между формирователем первичной трубы и формирователем внутренней поверхности скважины заданного диаметра, механизм перемещения устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины выполнен из двух подвижных устройств перемещения.
Причем устройство армирования может быть выполнено в виде катушки с армирующей нитью и механизмом подачи и фиксации армирующей нити на внутренней поверхности первичной трубы или в виде 3D принтера, с возможностью формирования армирующей сетки на внутренней поверхности первичной трубы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины в процессе строительства скважины, на фиг. 2 показан общий вид устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины в процессе извлечения из скважины, на фиг. 3 показан порядок работы механизма перемещения устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины, состоящего из двух подвижных устройств перемещения в процессе строительства скважины, на фиг. 4 показана функциональная гидравлическая схема устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины.
Устройство для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины в процессе строительства скважины состоит из бурового инструмента, представленного, например долотом 1 и расширителем 2, редуктора 3, обеспечивающего вращение долота 1 в направлении противоположном вращению расширителя 2, двигателя 4 для вращения долота 1 и расширителя 2, механизма перемещения 35 устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины, состоящего из двух подвижных устройств перемещения 5 и 6, экрана 7 с зоной приема загрязненного бурового раствора 21, формирователя первичной трубы 8 с устройством ускорения фиксации формовочного материала 9, перемешивателем формовочного материала 19 и с зоной впрыска 23 формовочного материала, устройства армирования 10, дополнительного уплотнителя 11 с зоной подачи бурового раствора 22, формирователя внутренней поверхности скважины заданного диаметра 12 с устройством ускорения фиксации формовочного материала 13, перемешивателем формовочного материала 20, с зоной впрыска 24 формовочного материала и с зоной отвода бурового раствора 30, гибкого рукава 14, внутри которого проходят контуры для подачи бурового раствора 15, формовочного материала 28 для первичной трубы 16 в зону впрыска 23 формирователя первичной трубы 8, для подачи формовочного материала 29 для внутренней поверхности скважины заданного диаметра 17 в зону впрыска 24 формирователя внутренней поверхности скважины заданного диаметра 12, линия энергоснабжения 18 двигателя 4, двигателей 25 и 26 перемешивателей формовочного материала 19 и 20, клапана 31, управляющего подачей одного из компонентов формовочного материала в перемешиватель формовочного материала 19, клапана 32, управляющего подачей перемешанного формовочного материала в зону впрыска 23, клапана 33, управляющего подачей одного из компонентов формовочного материала в перемешиватель формовочного материала 20, клапана 34, управляющего подачей перемешанного формовочного материала в зону впрыска 24.
Контуры для подачи формовочных материалов 28 и 29 могут содержать по несколько каналов, например, по два в зависимости от количества компонентов формовочных материалов, при этом один из компонентов выполняет роль отвердителя.
При этом экран 7, формирователь первичной трубы 8, устройство армирования 10, дополнительный уплотнитель 11, формирователь внутренней поверхности скважины заданного диаметра 12 обеспечивают транзит отводимого с забой загрязненного бурового раствора 27, а включая долото 1, редуктор 3, расширитель 2, двигатель 4 обеспечивают транзит сред, подаваемых по контурам 15, 28, 29, проходящим внутри гибкого рукава 14 в соответствии с функциональной гидравлической схемой устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины, представленной на фиг. 4.
Работа устройства для формования защитной трубы одновременно с бурением скважины и реализация способа происходят следующим образом.
Бурение скважины осуществляется в два приема сначала бурение осуществляется, например, долотом 1, а затем происходит расширение диаметра скважины с помощью расширителя 2, что обеспечивает извлечение бурового инструмента для его замены, при этом за счет использования редуктора 3, установленного между долотом и расширителем вращение долота 1 происходит в противоположном направлении относительно расширителя 2, что обеспечивает снижение нежелательной передачи вращающего момента на устройство для формования защитной трубы.
При этом непрерывное движение бурового инструмента и устройства для формования защитной трубы осуществляется с помощью попеременного движения двух подвижных устройств перемещения 5 и 6, входящих в состав механизма перемещения 35 бурового инструмента и устройства для формования защитной трубы.
По мере продвижения бурового инструмента вниз в скважину вводятся:
- экран 7, который увеличивает свой диаметр, например, наддувом, и разделяет зоны приема загрязненного бурового раствора и подачи формовочного материала для первичной трубы 16, отвод бурового раствора осуществляется через контур отвода бурового раствора 27;
- формирователь первичной трубы 8, который увеличивает свой диаметр, например, наддувом, и образует зазор, заданного размера между стенкой скважины и наружной поверхностью формирователя первичной трубы 8, обеспечивающий формирования первичной трубы 16, заданной толщины, одновременно с этим по контуру для формовочного материала для первичной трубы 16 в перемешиватель 19 подаются компоненты формовочного материала и затем в зону впрыска 23 формирователя первичной трубы 8 подается готовый формовочный материал, предварительно подготовленный в перемешивателе 19 формовочного материала для первичной трубы 16. Клапаны 31 и 32 открыты. По мере продвижения устройства для формования защитной трубы в процессе строительства скважины осуществляется формирование первичной трубы 16, при этом устройство ускорения фиксации формовочного материала 9 обеспечивает придание формовочному материалу заданных свойств;
- устройство армирования 10, обеспечивающего нанесение армирующего материала на внутреннюю поверхность первичной трубы;
- дополнительный уплотнитель 11 увеличивает свой диаметр, например, наддувом, герметизирует объем в котором происходит армирование первичной трубы, обеспечивает подачу бурового раствора через зону подачи бурового раствора 22 в объем в котором происходит армирование первичной трубы 16, тем самым предотвращая деформацию первичной трубы 16 от воздействия давления в скважине;
- формирователь внутренней поверхности скважины заданного диаметра 12, который увеличивает свой диаметр, например, наддувом, и образует зазор, заданного размера между стенкой первичной трубы 16 и наружной поверхностью формирователя внутренней поверхности скважины заданного диаметра 12, обеспечивающий формирования внутренней поверхности скважины заданного диаметра 17, заданной толщины, одновременно с этим по контуру для формовочного материала для внутренней поверхности скважины заданного диаметра 17 в перемешиватель 20 подаются компоненты формовочного материала и затем в зону впрыска 24 формирователя внутренней поверхности скважины заданного диаметра 12 подается формовочный материал, предварительно подготовленный в перемешивателе 20 формовочного материала для внутренней поверхности скважины заданного диаметра 12. Клапаны 33 и 34 открыты. По мере продвижения устройства для формования защитной трубы в процессе строительства скважины осуществляется формирование внутренней поверхности скважины заданного диаметра 17, при этом устройство ускорения фиксации формовочного материала 13 обеспечивает придание формовочному материалу заданных свойств.
При необходимости дополнительное армирование защитной трубы может быть выполнено за счет добавления армирующих волокон в компоненты формовочных материалов.
При окончании строительства скважины или в случае замены бурового инструмента устройство для формования защитной трубы работает следующим образом. Расширитель 2, два подвижных устройства перемещения 5 и 6, экран 7, формирователь первичной трубы 8, дополнительный уплотнитель 11, формирователь внутренней поверхности скважины заданного диаметра 12 уменьшают свои диаметры, например, сдувом. Для предотвращения отвердевания формовочного материала в перемешивателях 19 и 20 и в зонах впрыска 23 и 22 клапаны 31 и 33 закрывают, производят заполнение перемешивателей 19 и 20 и зон впрыска 23 и 22 одним из компонентов формовочного материала.
Далее производят подъем и извлечении устройства для формования защитной трубы из скважины.
Предполагаемое изобретение позволит достичь:
- непрерывность процесса бурения и формования защитной трубы внутренней поверхности скважины;
- повышенную прочность и ударопрочность защитной трубы путем ее армирования;
- исключение скручивания гибкого рукава за счет обеспечения снижения или предотвращения нежелательной передачи вращающего момента на устройство для формования защитной трубы.