БУРИЛЬНАЯ КОМПОНОВКА С МАЛОГАБАРИТНЫМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ЗАБОЙНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Область техники
Полезная модель относится к области бурения, в частности, к устройствам, работающим в каналах (скважинах) сверхмалого диаметра и радиуса кривизны в составе бурильной компоновки (БК), например, при вторичном вскрытии продуктивной зоны пласта (ПЗП) или капитальном ремонте скважин (КРС), и может быть использовано при бурении гидравлическими забойными двигателями с одним или несколькими узлами перекоса (ЗД) для оптимизации их технических характеристик, улучшения очистки забоя от выбуренной породы и ее транспортирования в кольцевом пространстве скважины к устью, а также для укрепления стенок канала (скважины).
Уровень техники
Известно устройство для интенсификации процесса бурения скважин (Авторское свидетельство СССР №962577 от 30.09.82. Бюл. №36, патентообладатель Уфимский нефтяной институт), включающее корпус пародоразрушающего инструмента (фрезерное долото) с установленной в нем инжекционной, струйной системы с каналами, гидравлически связывающими внутреннюю полость корпуса устройства с забоем скважины и с ее кольцевым пространством для обеспечения движения буровой промывочной жидкости с инжекцией. Выбор необходимого расхода буровой промывочной жидкости производится в первую очередь с учетом обеспечения оптимальных рабочих характеристик забойного двигателя, а также • удаления выбуренной породы и вынос ее на поверхность. Последние условия зависят от изменяющейся глубины скважины и длины разбуриваемого участка, а первое - от качественной и количественной идентификации динамики работы компоновки нижней части бурильной колонны, выполненной заблаговременно.
Известно устройство для очистки забоя скважины от выбуренной породы (Авторское свидетельство СССР №802513 от 07.02.81. Бюл. №5, патентообладатель Уфимский нефтяной институт), включающее в себя проточные корпуса, с установленными в них двух струйных насосов с системой инжекционных каналов, гидравлически связывающих внутренние полости корпусов устройства с забоем скважины и с ее кольцевым пространством.
Известно устройство для очистки и кольматации ствола скважины (патент РФ №2313655 (Е21В 33/13 патентообладатель Н.А. Шамов. №2006116200/03, заявл. 12.05.06; опубл. 2007. Бюл. №36). Устройство содержит полый корпус с продольными и радиальными каналами. Снаружи корпуса выполнены предохранительные ребра. В ребрах выполнено радиальное отверстие, с размещенным в нем насадком. Кольцевое пространство скважины гидравлически связанно с полостями корпуса каналами.
Наиболее близким аналогичным устройством, относящимся к инжекторным устройствам для бурильной компоновки, принятым за прототип, является устройство «Наддолотный эжекторный насос» (патент РФ №2020292, от 30.09.89, патентнообладатель Евстифеев Сергей Владиленович). Известное устройство, включенное в состав компоновки бурильной колонны, состоящее из проточного корпуса с центраторами и размещенными в нем инжекционнымй насадками, расположенными в наклонных каналах, гидравлически связанными с пространствами над насосом и с пространством ниже него, а насадки в каналах расположены оппозитно относительно друг друга.
Недостатком перечисленных устройств является невозможность оптимизировать технические характеристики гидравлического забойного двигателя путем перераспределения части потока перед забойным двигателем, а также отсутствие возможности кольматации стенок скважины.
Техническая задача и технический результат
Технической Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является интенсификация процесса бурения каналов (скважин) сверхмалого диаметра и радиуса кривизны секционными гидравлическими забойными двигателями путем повышения механической и рейсовой скоростей.
Технический результат осуществления изобретения заключается в повышении производительности работы в скважинах сверхмалого диаметра и радиуса кривизны, который достигается за счет
а) оптимизации технических характеристик гидравлического забойного двигателя, за счет подачи расчетного количества буровой промывочной жидкости к нему путем перенаправления другой части потока из бурильной колонны в затрубное пространство через выше установленные струйные насадки;
б) снижения дифференциального (гидростатического) давления в призабойной зоне работы долота с использованием эффекта инжекции промывочной жидкости;
в) улучшения возможности транспортирования шлама в скважинах сверхмалого диаметра и радиуса кривизны с возможным созданием вихревого потока;
г) кольматации стенок скважины истекающим из направленных к стенкам скважины струйных насадок потоком промывочной жидкости с присадками, что снижает риски прихватов (в том числе дифференциальных) бурильного инструмента, особенно при бурении сильно искривленных наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Решение
Указанный технический результат достигается при использовании бурильной компоновки с гидравлическим забойным двигателем для интенсификации бурения в искривленных скважинах, включающей долото, винтовой забойный двигатель с узлом перекоса на угол искривления f, а также жестко связанные между собой, с бурильными трубами и с двигателем через резьбовые соединения
а) модуль вращения, обеспечивающий улучшение промывки в кольцевом пространстве скважины буровой жидкостью, состоящий из неподвижного вала с центральным каналом и осевыми отверстиями для буровой жидкости и вращающегося корпуса с каналами, установленного на бессепараторных опорах качения с возможностью кругового движения за счет реактивной силы буровой жидкости вытекающей в кольцевое пространство скважины последовательно через осевые отверстия вала, пространство между валом и вращающимся корпусом и каналы,
к
б) модуль шарнира, обеспечивающий размещение модуля вращения концентрично к оси скважины и оптимальную частоту вращения корпуса модуля вращения, а также размещение всей бурильной компоновки с необходимыми углами перекоса и радиусом кривизны R в апсидальной плоскости скважины, состоящий из двух полукорпусов, связанных между собой через шарнир с возможностью свободного поворота в апсидальной плоскости на угол е=f, ограниченный кулачками, при этом, по крайней мере, один полукорпус снабжен центрирующими ребрами.
При реализации изобретения в полукорпусе могут быть размещены вкладыши с ответными к шарниру шарообразными поверхностями и уплотнителями для герметичности шарнирного модуля, а также эластомер для гашения вибраций.
При этом для совмещения плоскости изгиба шарнира и плоскости изгиба узла перекоса забойного двигателя с апсидальной плоскостью в полукорпусе модуля шарнира устанавливается регулировочное кольцо.
Шарнир следует установить на расстоянии L от долота, определяемом с учетом изгибной жесткости низа компоновки (EJ) и осевой нагрузки Р, создаваемой расчетным весом части низа бурильной компоновки на долото по зависимости:
Модуль вращения может быть выполнен в виде одноступенчатого или многоступенчатого «Сегнерова» колеса, корпус которого содержит радиально-наклонные каналы и инжекционные насадки.
Описание чертежей
На чертежах представлены варианты конструкций бурильных компоновок.
На фиг. 1 изображена компоновка, общий вид с продольным разрезом, состоящая, снизу вверх, из долота (1), винтового забойного двигателя (2) с узлом перекоса, выполненным с углом искривления (f), расположенным в апсидальной плоскости скважины (плоскость чертежа). В состав компоновки включены модуль шарнира (3) с ограниченной степенью свободы в виде угла искривления (е), также размещенным в той же плоскости, что и модуль вращения (4) инжекционно-струйного принципа действия. Модули размещенных в бурильной компоновке один над другим, при этом шарнир расположен на расстоянии (L) от долота, и соединенных с бурильными трубами (5), определенной изгибной жесткости (E⋅J) и между собой -резьбами. Забой скважины обозначен буквой (Б), а стенки скважины (канала) - буквой А.
1
2
3
2
2
3
2
1
На фиг. 2 изображен продольный разрез бурильной компоновки. Указан объем расхода и направление движения буровой промывочной жидкости, которая нагнетается поверхностным буровым насосом. Во внутреннем осевом канале бурильной компоновки объем расхода Q, в канале Модуля вращения Q, в каналах и отверстиях инжекционного модуля «переливной» части Q, на забое - Q и кольцевом пространстве скважины в районе забойного двигателя - Q, в районе бурильной компоновки Q + Q = Q.
3
На фиг. 3 изображен вид с наружи корпуса модуля вращения (4), показанный на фиг. 1 и фиг. 2 с указанием направления движения «переливных» частей буровой промывочной жидкости: Q/N, с направлением (α) по разрезу А-А в «затруб» к бурильной колонне для реактивного вращения корпуса и снижения дифференциального давления на забое, и одновременно с направлением (β) по сечению Г-Г к стенкам скважины для дополнительного достижения эффекта их кольматации.
На фиг. 4 изображен модуль вращения, выполненный в виде двухступенчатого быстроходного «Сегнерова» колеса с низким коэффициентом циркулятивности и с двумя рядами инжекционных насадок (8), выполненных в корпусе (7), размещенном на опорах (11) и (12) с уплотнениями (10).
На фиг. 5 и 6 показаны, соответственно, аксонометрическое и 3D модельное изображение модуля вращения инжекционно струйного принципа действия.
На фиг. 7 изображен модуль шарнира, показанный на фиг. 1 и 2, включающий два полукорпуса верхний (13) и нижний (14), соединенных шарниром (15) и взаимодействующих кулачками (16). В полукорпусе (14) размещены вкладыши (17) с ответными к шарниру (15) шарообразными поверхностями и эластомер - виброгаситель (18). Герметичность модуля шарнира обеспечивают уплотнения (19). На верхнем полукорпусе (13) выполнены центрирующие ребра (20). Модуль шарнира устанавливается на определенном расстоянии от долота (не показано) и над забойным двигателем (2) перед модулем вращения (4) с применением резьбовых соединений. При этом возможна и противоположная установка. Для обеспечения возможности размещения угла искривления шарнира точно в одной апсидальной плоскости с углом узла перекоса забойного двигателя в нижнем полу корпусе (14) селективно устанавливается регулировочное кольцо (21) расчетной высоты h.
На фиг. 8 изображено фото одного из конструктивных вариантов исполнения бурильной компоновки, изготовленной в металле для проведения стендовых испытаний, при анализе объемов перераспределения потоков буровой промывочной жидкости.
На фиг. 9 изображена схема к расчету «Сегнерова» колеса.
Детальное описание решения
Механическая и рейсовая скорости бурения являются одними из важнейших факторов, влияющих на технико-экономические показатели бурения.
Особое внимание уделяется системе промывки скважины с регламентированным, но достаточным объемом жидкости для очистки забоя, охлаждения рабочих узлов долота, двигателей, выноса разрушенной породы из скважины при укреплении ее стенок кольматирующими присадками и обеспечение эффективной работы гидравлических забойных двигателей со строго регламентированной производительностью буровых насосов.
Для осуществления изобретения, при выполнении поставленной задачи и достижения технического результата, составлена «Гидравлическая программа» проводки скважины (канала), которая представляет собой выбор типа забойного двигателя, выбор расхода буровой промывочной жидкости, а также определение типа и количества насосов, обеспечивающих необходимый расход буровой промывочной жидкости. В настоящем примере тип забойного двигателя выбран, исходя из концепции - бурение бокового радиального канала сверхмалого диаметра и радиуса кривизны - это секционный винтовой забойный двигатель специальной конструкции диаметром 43 мм.
Выбор расхода промывочной жидкости производится с учетом рабочих характеристик забойного двигателя, так как система «насос-двигатель-скважина» представляет собой единое целое.
Расход промывочной жидкости (подача бурового насоса) выбирается из трех условий.
1. Первое условие - удаление шлама с забоя. Для удаления шлама с забоя скважины сверхмалого диаметра (канала), диаметр долота 58 мм, достаточно расхода 1,7…2,0 л/с.
где q - удельный расход жидкости, необходимый для удовлетворительной очистки забоя; q=0,65 м/с;
3
F - площадь забоя при диаметре долота 58 мм;
3
3
Q = 0,65 ⋅ 0,00264 = 0,0011 м/с.
2. Второе условие - вынос шлама на поверхность. Для обеспечения выноса шлама на поверхность необходим расход 4…8 л/с.
где  - площадь кольцевого пространства;
ос
U - скорость оседания «витания» частичек шлама:
3
где d - эквивалентный диаметр частички,
д
где D - диаметр долота 58 мм;
п
п
3
ρ - плотность разбуриваемых пород; ρ = 2500 кг/м,
ж
ж
3
ρ - плотность бурового раствора ρ = 1050 кг/м,
э
max
d = 0,002 + 0,037 ⋅ 0,058 = 0,004146 м;
площадь кольцевого зазора;
min
3
Q ≥ 15 ⋅ 0,29 ⋅ 0,002 = 0,0087 м/c.
3. Третье условие - обеспечение оптимальной работы ВЗД (винтового забойного двигателя). При бурении перфорационных каналов используются специальные ВЗД 2Д-43.5/6.21.010, максимальный расход у которых составляет 2 л/с.
Поскольку для обеспечения выноса шлама на поверхность подача насоса должна быть не менее 4 л/с, а данное количество больше, чем необходимо для ВЗД, следовательно, требуется избыточную часть бурового раствора «сбросить» до ВЗД, через специальный модуль вращения. Таким образом, обеспечивается необходимая подача на забой скважины для удаления разрушенной породы с забоя, и суммарный расход в затрубном пространстве, с учетом подачи через специальное инжекторное устройство, достигает более 4 л/с.Дополнительные «транспортирующие» характеристики бурового раствора регулируются за счет придания последнему специальных тиксотропных свойств, которые позволят доставить шлам на дневную поверхность при промывке скважины, и удерживать его во взвешенном состоянии (витание), в случае остановки работы насоса. При этом динамическое напряжение сдвига должно находиться в пределах от 0,3 до 13 Па, а наименьшие допустимые значения пластической вязкости 0,004 Па⋅c;
Для обеспечения циркуляции промывочного агента в заданном количестве (4-8 л/с) буровой насос должен развивать давление достаточное для преодоления гидравлических сопротивлений, встречающихся во всех элементах циркуляционной системы «Перфобура». Для бурения радиального канала диаметром 58 мм и длиной 15 м в скважине на глубине 3000 м суммарный перепад давлений будет в пределах 15-17 МПа.
Подбор насоса для бурения радиального канала производился по необходимым характеристикам подачи и создаваемому давлению, а также по наличию частотно регулируемого привода для обеспечения плавной подачи насоса. Из рассмотренных вариантов подходящим является насосная установка СИН46.
Установка насосная СИН 46.03
Назначение - Перекачивание в длительном режиме различных жидкостей и полимерных растворов под высоким давлением. Используется для закачки воды (в системах ППД), буровых, цементных, полимерных растворов, масел и других технологических жидкостей.
Состав:
Электродвигатель асинхронный 132 кВт, 1500 об/мин
Частотный регулятор скорости вращения электродвигателя
Трехплунжерный насос СИН46
Пульт управления с системой контроля
Гаситель пульсаций
Планетарный редуктор СИН42
Рама
Технические характеристики:
Устройство работает следующим образом.
Собирается компоновка бурильной колонны (КБК), включающая (снизу вверх): долото, соответствующее типу буримой породы; малогабаритный гидравлический забойный двигатель (ЗД) в секционном исполнении с одним или несколькими узлами перекоса; бурильные трубы необходимой изгибной жесткости (E⋅J) и расчетной длины, (для оптимального размещения в КБК предлагаемое изобретение в модульном исполнении, а при необходимости непосредственно над ЗД или, например, на расстоянии L от долота в КБК устанавливают шарнир инжекторно-шарнирного переливного модуля (ИШПМ), угол искривления шарнирного модуля устанавливают в одной апсидальной плоскости с углом (углами) узла перекоса ЗД; и далее бурильные трубы необходимого типоразмера и с узлами для бурения по предполагаемой технологии. По мере сборки компоновку спускают в скважину.
1
Производится подача буровым насосом промывочной жидкости (ньютоновской или бингамовской и т.д.) внутрь КБК с необходимым расходом, например Q, в зависимости от глубины забоя, для выноса ожидаемого объема разрушенной породы долотом определенного типа (истирающего-режущего, скалывающее-дробящего и др.), и главное для оптимизации технической характеристики ЗД, при этом необходимо выполнять ряд условия:
а) оценивать возможность эффективной очистки забоя, охлаждения долота и обеспечение достаточной скорости восходящего потока с выбуренной породой в кольцевом пространстве, как канала, так и далее в скважине с учетом коэффициента лобового сопротивления и скорости витания;
б) учитывать реологические свойства промывочной жидкости и величину давления на забое с учетом обогащения ее разрушенной породой;
в) оптимизировать технологические параметры ЗД.
При создании осевой нагрузки на долото путем разгрузки части веса сжатой БК на необходимую величину, шарнирный модуль, искривляясь, касается ребрами своего полукорпуса стенок наклонно-направленной скважины, обеспечивая максимально концентричное положение корпуса струйного вращателя относительно оси скважина.
Как правило, при бурении скважин пространственной ориентации, в результате продольного изгиба БК, при создании осевой нагрузки близкой к критическому значению (по Эйлеру), на долоте возникает отклоняющая сила, и пробурить скважину (канал) по прогнозированной траектории становится невозможным даже в изотропных породах.
Кроме того, изгиб БК без «шарнира» может привести к подклиниванию корпуса вращающего модуля о стенки скважины, или для исключения данных рисков придется ограничивать его диаметральные габариты, т.е. снижать параметры функционального назначения устройства.
Для устранения возможности подклинки вращающего корпуса в ИШПМ установлен шарнирный модуль с гарантированным углом искривления и снабженный центрирующими ребрами, обеспечивающий возможность допустимого размещения «Сегнерова» колеса максимально концентрично к оси скважины, т.е. с необходимым зазором относительно ее стенок, для достижения высокой вероятности вращения колеса с оптимальной частотой и снятия действия изгибающего момента (E⋅J) от нагруженных осевой силой сжатой части бурильных труб.
Место установки «шарнира» (L), выбирается перед вращающимся модулем считая от долота:
и L = 1,20 м при осевой нагрузке Р = 6000Н, т.е. сразу же над малогабаритным секционным забойным двигателем,
6
2
где Е - модуль Юнга материала БК (например, для стали 40ХН2МА, Е = 2,1 ⋅ 10 кгс/см);
J - приведенный полярный момент инерции сжатой части БК;
Р - осевая нагрузка на ЗД габарита 43 мм (2000-6000 Н).
1
2
3
Расход Q промывочной жидкости бурового раствора расчетно делится на два потока: один расходуется на работу ЗД - Q (регламентированный расход согласно технической характеристики ЗД) и другой - Q направляется на работу ИШПМ. Причем диаметры инжекционных насадок ИШПМ выбирают из условий, чтобы перепад давления, срабатывающийся в них (с учетом их количества), был бы меньше потерь давления в ЗД (паспортные данные) и в насадках долота, при обеспечении условий вращения «Сегнерова» колеса и создания закрученного потока в кольцевом пространстве канала (скважины), при динамическом истечении промывочной жидкости из насадок.
Рассмотрим задачу по определению движущего момента и рабочего числа оборотов вращательного модуля, выполненного в виде одноступенчатого «Сегнерова» колеса (см. фиг. 9).
3
Величина реактивной силы потока жидкости Q, вытекающей из насадок, определяется выражением:
3
где Q - расход жидкости на привод «Сегнерова» колеса;
ρ - плотность рабочей жидкости;
u - скорость струи потока жидкости на выходе из насадка;
H
V - окружная скорость насадка.
Подставляя в (6) выражение для скоростей, получаем следующее выражение
где N - число насадок;
μ - коэффициент расхода насадка;
f - площадь сечения выходного отверстия одной насадка;
l - расстояние от оси насадки до оси вращения колеса.
Движущий момент Сегнерова колеса определяется как:
Приведем полученное выражение (7) к виду, аналогичному форме записи уравнения Эйлера для турбомашин.
Тогда получим:
торм
где М - момент при тормозном режиме, (момент запуска);
max
n - число оборотов колеса в режиме холостого хода, вычисленные по зависимостям:
В случае, когда струя жидкости, выходя из насадка, ударяется о криволинейную поверхность стенки скважины, в первом приближении ее можно разделить на две составляющие R' и R'' (рис. 1)
R' - сила вращательная, R'' - сила кольматации стенок скважины.
В точке соударения струи со стенкой угол между касательной t-t к поверхности и осью равен α. В этом случае окончательно из (8) имеем:
торм
max
графически выражение (8) представляет собой наклонную прямую, пересекающую ось ординат в точке М, а ось абсцисс - в точке n.
торм
max
3
-5
2
3
В качестве примера, определим значение М и n для одноступенчатого «Сегнерова» вращателя, концентрично размещенного в компоновке. Для расчета применим следующие данные: Q = 4 л/с; μ = 0,9; f = 0,9 ⋅ 10 м (N = 4 - число насадок диаметром d = 3 мм); l = 15 мм; ρ = 1050 кг/м.
В результате расчета по (9) и (10) получаем:
торм
М = 7,77 Н.м, что достаточно для преодоления трения в опорах качения и сопротивления промывочной жидкости;
max
max
-1
n = 803,3 мин, что достаточно для создания сильно закрученного потока в кольцевом пространстве, причем как видно из (10) при уменьшении числа насадок N = 2, n увеличивается в два раза, без изменения расхода.
Очевидно, фактическое число оборотов полукорпуса модуля вращения будет несколько отличаться от расчетных из-за наличия механического трения в уплотнениях и опорах качения, а также гидравлического трения поверхности корпуса вращателя, вращающегося в вязкой среде, и потерь из-за турбулизации потока и его закрутки при образовании вихрей в кольцевом пространстве между вращателем и стенкой скважины (см. фиг. 2).
3
2
Поток промывочной жидкости Q, выходящий из насадок с большой скоростью, в соответствии с законом Д. Бернулли, снижает давление на выходе из насадок в кольцевом пространстве скважины, которое передается на забой, что уменьшает гидростатическое (дифференциальное) давление в призабойной зоне и способствует улучшению ее очистки, за счет дополнительного инжектирования потока Q, что способствует увеличению механической скорости бурения.
2
3
Потоки Q и Q смешиваются в кольцевом пространстве скважины, закручиваются «Сегнеровым» колесом с образованием вихрей, что способствует приросту инжекционной тяги в кольцевом пространстве с возможной реализацией «Принципа Максимального Расхода», входящего в открытие «Закономерности расхода жидкости в закрученном потоке», очищают стенки канала и улучшают транспортирующую способность выбуренного шлама на поверхность. Данная закономерность подтверждена при стендовых испытаниях бурильной компоновки с устройством ИШПМ на экспериментальном стенде ООО «Перфобур», при бурении криволинейных каналов длиной до 6-10 м малогабаритными специальными винтовыми забойными двигателями в цементно-песчаных блоках со скоростью в 1,5-2 раза выше, чем без предлагаемого изобретения.
3
«Переливная» часть промывочной жидкости Q, с разно дисперсными наполнителями (например мраморной крошкой), закрученная вращающимся модулем, и направленная насадками к стенкам скважины, способствует очистке зоны кольматации стенки ствола скважины от возможно образовавшейся фильтрационной корки, и мгновенно ее закупоривает образовавшимся вихревым полем с дисперсной фазой промывочной жидкости бурового раствора, направленной радиально ориентированными насадками при исполнении вращающего модуля в многоступенчатом исполнением (фиг. 3). Гидродинамические колебания давления при истечении и соударении струй буровой промывочной жидкости способствуют интенсивному заполнению пор и трещин стенок скважины твердыми мелкодисперсными кольматирующими частицами раствора, что повышает герметичность и устойчивость стенок скважины. Стендовые испытания показали, что толщина кольматирующего экрана может составлять 3-5 мм. Эта величина выдерживает перепад давления до 5-7 МПа, что с высокой степенью вероятности исключит возможные риски дифференциального прихвата бурильной компоновки, а значит, сократит время на их ликвидацию, т.е. увеличит рейсовую скорость бурения.
Изобретение описывает несколько вариантов возможного исполнения устройства, отличающиеся друг от друга конструктивными особенностями выполнения одно- или многоступенчатости вращающего модуля путем изменения количества каналов с насадками в корпусе, а также их размещения.
Компоновка многоступенчатого вращающего модуля при использовании кольматирующего бурового раствора (например, с добавлением в раствор мелкодисперсной мраморной крошки) и с определенно направленными насадками: например, одних - тангенциально ориентированных к стенкам скважины, которые будут обеспечивать кроме эффекта вращения «Сегнерова» колеса еще и очистку стенок скважины от фильтрационной корки за счет закрученного вихревого потока, а размещение других насадок, радиально ориентированных, позволят выполнять мгновенное закупоривание кольматантами в волновом поле вихря активированной дисперсной фазой бурового раствора.