ТЕРМОИЗОЛИРУЮЩЕЕ НАПРАВЛЕНИЕ БУРОВОЙ СКВАЖИНЫ

Предлагаемая полезная модель «Термоизолирующее направление буровой скважины» относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности при забуривании скважин в районах многолетней мерзлоты для предотвращения их растепления.
Известно термоизолирующее направление по патенту России на полезную модель №74415, МПК Е21В 36/00, опубл. 27.06.2008, содержащее последовательно соединенные секции, каждая из которых имеет коаксиально расположенные внутреннюю и наружную трубы с пространством между ними, заполненным термоизоляционным слоем, в зоне стыка секций внутренние трубы выступают из наружных труб и связаны между собой с помощью сборно-разборного соединительного устройства, выполненного в виде фланцев. Зона стыка секций перекрыта обечайкой, при этом полость между внутренними трубами и обечайкой заполнена термоизоляцией.
Однако в известном термоизолирующем направлении для изготовления термоизолированных труб подают термоизоляционный материал пенополиуритан (ППУ) в межтрубное кольцевое пространство, образованное коаксиально установленными внутренними и наружными трубами в каждой секции, при этом выступающие стыки внутренних труб соединяют с помощью фланцев, а наружные трубы перекрывают обечайкой, полость между внутренними трубами и обечайкой заполняют термоизоляцией. Кроме того недостатком известного термоизолирующего направления является высокая трудоемкость его монтажа во время спуско-подъемных операций, а также известное термоизолирующее направление приемлемо только при бурении на малые глубины большого диаметра.
Эти недостатки обусловлены тем, что на практике известно, что при производстве термоизоляционного слоя большой протяженности, например равной длине наружных труб, в процессе подачи термоизоляционного материала (ППУ) по всей длине и объему кольцевого пространства между внутренними и наружными трубами при вспенивании его образуется большое количество продуктов химической реакции компонентов ППУ (углекислого газа и т.д.) и воздуха, которые не успевают полностью вытесняться из межтрубного пространства, из-за отсутствия конструктивной возможности оперативного выхода газов. Это приводит к неполному и неравномерному заполнению межтрубного пространства термоизоляционным материалом и образованию воздушных полостей большого объема, что повышает теплопроводность конструкции, не обеспечивая оптимальную теплоизоляцию и надежную теплозащиту буровой скважины. Кроме того, при неравномерном распределении термоизоляционного слоя по всему объему межтрубного пространства будут, соответственно, неоднородны и его физико-механические свойства, что снижает надежность и долговечность конструкции, а также, поскольку данный недостаток обусловлен тем, что известное термоизолирующее направление устанавливается в цилиндрическую шахту, подготавливаемую только шнековым буром, значительно ограничивается установка большого количества секций термоизолирующего направления, при этом установка (не более двух секций) осуществляется только при помощи подъемного крана, т.к. упомянутое шнековое бурение неприемлемо для больших глубин.
Известно также термоизолирующее направление буровой скважины (патент РФ №158537, Е21В 36/00, опубл. 10.01.2016), которое включает по меньшей мере две секции, соединенные между собой при помощи муфты. Секции имеют одинаковую конструкцию и содержат внутреннюю и наружную трубы, пространство между которыми заполнено теплоизолирующим материалом. Наружная труба установлена на внутренней трубе посредством фиксирующих фланцев, наружная поверхность которых контактирует с внутренней и торцевой поверхностью наружной трубы. В месте соединения первой и второй секции установлен стакан, пространство под которым заполнено теплоизолирующим материалом. Стакан закреплен при помощи хомутов.
Недостаток известного термоизолирующего направления буровой скважины заключается в том, что конструкция соединения наружных труб с внутренними трубами при помощи массивных фиксирующих фланцев приводит к большим тепловым потерям на концах наружных труб. Кроме того, при длительной эксплуатации скважины (более 20 лет) старение материала уплотнительных колец в сочетании с осевыми нагрузками от веса внутренней трубы и ее температурных деформаций приводит к нарушению прочности и плотности соединения внутренней и наружной трубы с фиксирующими фланцами. Образующиеся неплотности обуславливают отслоение и намокание теплоизоляционного материала под действием влаги окружающих пород, что снижает теплоизоляционные свойства термоизолирующего направления буровой скважины. Тепловые потери на поверхности наружной трубы вызывают растепление окружающих мерзлых пород, что приводит к образованию каверн, рост которых может стать причиной деформации конструкции скважины.
Известно также, принятое за прототип, термоизолирующее направление буровой скважины (патент РФ №160010, Е21В 36/00, опубл. 27.02.2016), выполненное сборно-разборным, каждая секция которого содержит внутреннюю и наружную трубы и размещенный между ними теплоизоляционный материал. Термоизолирующее направление буровой скважины состоит из двух и более секций, каждая из которых в зоне стыка имеет выступающие из наружной трубы концы внутренней трубы. Нижний конец внутренней трубы верхней секции связан с верхним концом внутренней трубы нижней секции посредством резьбовой муфты. Зона стыка наружных труб каждой секции перекрывается обечайкой, а каждая полость между обечайкой и связанными между собой посредством резьбовой муфты соединения внутренними трубами заполнена теплоизоляционным материалом.
Недостатком известного термоизолирующего направления буровой скважины является высокие сроки и сложность проведения монтажа термоизолирующего направления в целом и низкая надежность соединения секций,
Данный недостаток обусловлен тем, что установка обечайки в зоне соединения секций с диаметром наружной трубы 530 мм и более (наиболее часто применяемые типоразмеры термоизолирующего направления буровой скважины), имеющих относительно большие размеры и массу, не всегда обеспечивает возможность жесткой фиксации обечайки в зоне соединения, что может привести к осевому смещению обечайки за счет трения о стенки скважины при спуске термоизолирующего направления в буровую скважину и снизить надежность соединения секций, а также увеличить сроки проведения монтажа.
Технической проблемой заявляемой полезной модели «Термоизолирующее направление буровой скважины» является повышение надежности соединения секций и долговечности узлов стыка секций теплоизолированных труб термоизолирующего направления.
Техническим результатом заявляемой полезной модели «Термоизолирующее направление буровой скважины» является повышение возможности сокращения времени на монтаж термоизолирующего направления буровой скважины в целом, при одновременном повышении надежности и долговечности узлов стыка секций теплоизолированных труб термоизолирующего направления буровой скважины.
Поставленный технический результат достигается тем, что известное термоизолирующее направление буровой скважины, выполненное сборно-разборным, состоящее, по меньшей мере, из двух секций, каждая секция которого содержит внутреннюю и наружную трубы с размещенным между ними теплоизоляционным материалом, согласно полезной модели, нижняя часть внутренней трубы верхней секции устанавливается в раструб конической формы, жестко закрепленный на наружной поверхности верхней части внутренней трубы нижней секции, стыковка верхней и нижней секций, содержащих внутренние и наружные трубы с размещенным между ними теплоизоляционным материалом - пенополиуретаном, осуществляется посредством закрепленного на внешней поверхности наружных труб верхней и нижней секции поворотного замка, с жесткой фиксацией последнего сварочным швом, причем на верхней торцевой поверхности раструба жестко закреплен фланец и установлена изолирующая прокладка.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
В отличие от известных аналогов и прототипа выполнение, термоизолирующего направления буровой скважины сборно-разборным, состоящим, по меньшей мере, из двух секций, каждая из которых содержит внутреннюю и наружную трубы с размещенным между ними теплоизоляционным материалом, и установка нижней части внутренней трубы верхней секции в раструб конической формы, жестко закрепленный на наружной поверхности верхней части внутренней трубы нижней секции, позволит значительно сократить время стыковки верхней и нижней секций, а также сократить время на монтаж всей конструкции термоизолирующего направления буровой скважины в целом. Осуществление стыковки верхней и нижней секций, содержащих внутренние и наружные трубы с размещенным между ними теплоизоляционным материалом, с помощью закрепленного на внешней поверхности наружных труб верхней и нижней секций поворотного замка, с жесткой фиксацией этого поворотного замка после стыковки верхней и нижней секций прерывистым сварочным швом, не только сокращает время на монтаж термоизолирующего направления буровой скважины в целом, но и, одновременно, повышает надежность и долговечность узлов стыка секций теплоизолированных труб термоизолирующего направления буровой скважины. Установка на верхней торцевой поверхности раструба жестко закрепленного фланца, на котором закрепляют изолирующую прокладку, в отличие от объекта прототипа, исключает в зоне стыковки секций дополнительные теплопотери и растепление почвы вокруг буровой скважины на всю глубину термоизолирующего направления буровой скважины. При монтаже термоизолирующего направления буровой скважины используется буровая установка, а скважина пробуривается шарошечным долотом, что также сокращает сроки установки термоизолирующего направления буровой скважины, при этом быстрая и надежная связь концов внутренних труб посредством соединения в виде конусовидного раструба обеспечивает надежность и долговечность узлов стыка секций термоизолирующего направления буровой скважины в целом. Кроме того, использование в качестве теплоизоляционного материала пенополиуретана, в совокупности признаков, в предложенном термоизолирующем направлении буровой скважины также сокращает время на монтаж термоизолирующего направления буровой скважины в скважину в целом при одновременном повышении надежности и долговечности узлов стыка секций теплоизолированных труб термоизолирующего направления буровой скважины.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели «Термоизолирующее направление буровой скважины» позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного технического решения. По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявленной полезной модели «Термоизолирующее направление буровой скважины» не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленной полезной модели «Термоизолирующее направление буровой скважины» критерию "новизна". Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволяет выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленной полезной модели «Термоизолирующее направление буровой скважины», изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель «Термоизолирующее направление буровой скважины» соответствует критерию "новизна".
Изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании в заявленной полезной модели «Термоизолирующее направление буровой скважины» совокупности признаков в том виде, как заявленная полезная модель «Термоизолирующее направление буровой скважины» охарактеризована в формуле полезной модели, т.е. подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанного в заявке примера конкретного выполнения. Технологические приемы, воплощающие заявленную полезную модель «Термоизолирующее направление буровой скважины» при ее осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно повышение возможности сокращения времени на монтаж термоизолирующего направления в целом, при одновременном повышении надежности и долговечности узлов стыка секций теплоизолированных труб термоизолирующего направления буровой скважины при предложенном монтаже, следовательно, заявленная полезная модель «Термоизолирующее направление буровой скважины» соответствует критерию "промышленная применимость".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявленной полезной модели «Термоизолирующее направление буровой скважины» может быть многократно использована с получением технического результата, заключающегося в сокращении времени на монтаж в буровую скважину термоизолирующего направления буровой скважины при одновременной возможности установки термоизолирующего направления буровой скважины при бурении скважины на большую глубину и повышении надежности и долговечности узлов стыка секций теплоизолированных труб термоизолирующего направления буровой скважины следовательно, заявленная полезная модель «Термоизолирующее направление буровой скважины» соответствует критерию "промышленная применимость".
Сущность заявленной полезной модели «Термоизолирующее направление буровой скважины» поясняется графическими материалами, на которых на фиг. 1 представлен общий вид термоизолирующего направления буровой скважины, состоящего из двух секций, в разрезе.
- на фиг. 2 представлено термоизолирующее направление буровой скважины в разрезе по Б-Б фиг. 1;
- на фиг. 3 представлено термоизолирующее направление буровой скважины вид по стрелке А фиг. 1;
Термоизолирующее направление буровой скважины, выполненное сборно-разборным, состоит из двух секций 1 и 2. Упомянутые выше из секции 1 и 2 термоизолирующего направления содержит внутренние трубы 3 и 4 и наружные трубы 5 и 6. Между внутренними трубами 3 и 4 и наружными трубами 5 и 6 секций 1 и 2 термоизолирующего направления буровой скважины размещен теплоизоляционный материал 7, в качестве которого используют пенополиуретан. Термоизолирующее направление буровой скважины может состоять из двух секций 1 и 2, как в данном примере конкретного выполнения, и более секций. В зоне стыка 8 секций 1 и 2 нижняя часть 9 внутренней трубы 3 верхней секции 1 устанавливается в раструб 10 конической формы, жестко закрепленный с помощью сварки кольцевым швом к наружной поверхности 11 верхней части 12 внутренней трубы 4 нижней секции 2. Стыковка верхней 1 и нижней 2 секций, содержащих внутренние, соответственно, 3 и 4 и наружные, соответственно 5 и 6 трубы с размещенным между ними теплоизоляционным материалом 7, осуществляется посредством закрепленного на внешней поверхности 13 наружных труб, верхней секции 1 и нижней секции 2 поворотного замка 14, увеличено показанном на виде «А» Фиг. 3. Поворотный замок 14 выполнен в виде жестко закрепленной с помощью сварки на внешней поверхности 13 наружной трубы 6, в ее верхней части, бобышки 15 с нижней наклонной гранью 16, и Г-образного крюка 17, в виде повернутой на 180° буквы «Г», жестко закрепленного с помощью сварки на наружной поверхности 18 наружной трубы 5, в ее нижней части, верхней частью ножки Г-образного крюка 17, в виде перевернутой на 180° буквы «Г». Сопряжение нижней наклонной грани 16 бобышки 15 и верхней грани жестко закрепленного Г-образного крюка 17 при повороте секций 1 и 2 до упора и последующая дополнительная жесткая фиксация нижней грани Г-образного крюка 17 на внешней поверхности 13 наружной трубы 6 в ее верхней части прерывистым сварочным швом 19 обеспечивает быструю и надежную фиксацию секций 1 и 2 термоизолирующего направления буровой скважины при монтаже. Таким образом, посредством совмещения нижней грани бобышки 15 и верхней грани Г-образного крюка 17 поворотного замка 14 повышается надежность и долговечность работы узлов стыка секций термоизолирующего направления буровой скважины. На верхней торцевой поверхности 20 раструба 10 жестко закреплен фланец 21, на который установлена изолирующая паронитовая прокладка 22, надежно исключающая растепление почвы вокруг буровой скважины на всю глубину термоизолирующего направления буровой скважины. На каждой секции термоизолирующего направления буровой скважины для фиксации на роторе буровой установки с использованием элеватора на наружной поверхности наружной трубы выполняют пояс 23 из приваренного стального листа.
Изготовление и установку термоизолирующего направления в буровую скважину осуществляют следующим образом.
В процессе изготовления термоизолирующего направления буровой скважины каждую секцию термоизолирующего направления буровой скважины изготавливают непосредственно в заводских условиях. Установку термоизолирующего направления буровой скважины осуществляют с помощью спуско-подъемного оборудования буровой установки, причем каждую секцию термоизолирующего направления буровой скважины фиксируют на роторе буровой установки с использованием элеватора (не показан) и пояса 23, выполненного из приваренного стального листа на наружной поверхности наружной трубы каждой секции. Далее аналогично связывают остальные секции термоизолирующего направления буровой скважины.
В каждой секции термоизолирующего направления буровой скважины изготовленной непосредственно в заводских условиях в качестве теплоизоляционного материала используют пенополиуретан.
Применение предложенной полезной модели
«Термоизолирующее направление буровой скважины» позволяет повысить эксплуатационные возможности, сохранив естественное состояние многолетнемерзлотных пород, исключив растепление пород околоствольного пространства и производить установку термоизолирующего направления буровой скважины на большую глубину, значительно сократить время при проведении монтажа термоизолирующего направления буровой скважины при одновременном повышении надежности и долговечности работы узлов стыка секций термоизолирующего направления буровой скважины.