УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ, НАПРАВЛЕНИЯ, СОСТАВА ПОТОКА БУРОВОГО РАСТВОРА НА МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИЮ АППАРАТУРЫ, ПРИМЕНЯЕМОЙ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ

Полезная модель относится к области геофизических исследований в скважинах и может быть использовано для повышения надежности аппаратуры, используемой в процессе бурения скважин на нефть и газ.
В современном процессе строительства скважины заметное место по временным затратам занимают геофизические исследования. Обычно такие исследования проводятся скважинными приборами, спускаемыми в интервал исследования на геофизическом кабеле, проволоке или буровых трубах, при проведении которых процесс бурения скважины останавливается, в связи, с чем все чаще применяются методы геофизического исследования скважин, применяемые непосредственно в процессе бурения, позволяющие сократить время, затраченное на строительство скважины. Все такие приборы построены по единому принципу, для того чтобы процесс бурения был возможен необходимо организовать движение бурового раствора по замкнутому контуру (схема движения бурового раствора представлена на фиг.1), тем самым очищая забой от разбуренной породы (шлама).
Буровой насос 1 из приемного бака 11 нагнетает буровой раствор по нагнетательной магистрали 2 во внутритрубное пространство колонны буровых труб 4. Буровой раствор, проходя через внутритрубное пространство колонны буровых труб 4 и компоновки низа бурильной колонны (КНБК) 5, поднимает с забоя 6 разбуренную породу (шлам) 7 по затрубному пространству. Шлам 7 по системе желобов 8 попадает в отстойник 9, далее через систему фильтров 10 в приемный бак 11 и так по замкнутому контуру. Полностью очистить буровой раствор от шлама не представляется возможным, поэтому в его составе присутствует (от 1,5% до 3%) мелкодисперсная разбуренная порода (абразивные частицы). Эти частицы, двигаясь с буровым раствором с определенной скоростью, подвергает элементы конструкций аппаратуры, используемой в процессе бурения, входящей в состав компоновки низа бурильной колонны 5, абразивному износу. Элементы конструкций «размывает». Основным параметром, влияющим на скорость движения бурового раствора, является площадь сечения, через которое он проходит (чем меньше площадь сечения, тем выше скорость потока бурового раствора). Немаловажным фактором является конструктивное расположение элементов аппаратуры, входящих в КНБК, а также материалы и их покрытия, из которых изготовлены элементы конструкций. Теоретически (в процессе проектирования) очень сложно предусмотреть, что будет происходить с элементами конструкции при прохождении через них потока бурового раствора с содержанием абразивных частиц. Проведение таких экспериментов во время геофизического исследования скважин в процессе бурения, полностью изготовив аппаратуру, занимает много времени и требует значительных материальных затрат, потому что после каждой неудачной попытки, не прошедшую испытания аппаратуру, нужно утилизировать и начинать заново ее проектировать и изготавливать, а это длительный и кропотливый труд, следовательно - высокая стоимость и отсутствие гарантий положительного результата.
Наиболее близко проблемы с абразивным износом описаны в патенте RU 2 404 370 С1. Известен турбогенератор для питания скважинной аппаратуры, содержащий внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, внутренний статор с обмоткой, выполненный на оси, в котором обмотка залита герметичным неэлектропроводным материалом, устойчивым к абразивному износу, внешний ротор установлен на подшипниках скольжения, внутренние рабочие поверхности подшипников скольжения выполнены из эластичного материала, например резины, со сквозными каналами и смонтированы на съемных втулках с буртиками, а втулки закреплены на оси, причем верхний подшипник скольжения закрыт с торца обтекателем с образованием кольцевого зазора между ним и корпусом (патент РФ№2184225 Е21В 47/00, от 01.08.2000 г.)
Недостатками известного турбогенератора являются сложность ремонта статорной обмотки, повышенный износ внутренней поверхности ротора из-за присутствия абразивных частиц в буровом растворе.
Технические проблемы заключаются в отсутствие информации при проектировании о:
минимально-/максимально допустимом процентном содержании абразивных частиц в буровом растворе, проходящем через внутритрубное пространство;
минимальной площади сечения, через которую проходит буровой раствор, следовательно, и максимальной скорости, при которой начинается абразивный износ элементов конструкции;
правильности формы и расположении элементов конструкций, особенно установленных навстречу потоку бурового раствора, тем самым исключить возможность возникновения турбулентного потока, следствием которого является процесс кавитации;
выборе марок материалов и покрытий элементов конструкции.
Решение указанной технической проблемы обеспечивается при использовании заявленной полезной модели на стадии проектирования аппаратуры, которая позволяет устранить вышеуказанные недостатки и получить технический результат, который заключается в определении опытным путем допустимого процентного содержания абразивных частиц в буровом растворе, проходящем через внутритрубное пространство; минимальную площадь сечения, через которую проходит буровой раствор, следовательно, и максимальную скорость бурового раствора, при которой начинается абразивный износ элементов конструкции; правильность формы и расположения элементов конструкций, особенно установленных навстречу потоку бурового раствора; обоснование применения материалов и покрытий элементов конструкции.
Заявленное устройство для исследования влияния скорости, направления, состава потока жидкости на материалы и конструкцию аппаратуры, применяемой для геофизических исследований скважин в процессе бурения, поясняется чертежами, на которых:
на фиг. 1 циркуляция бурового раствора в геофизической скважине;
на фиг. 2 внешний вид заявленного устройства;
на фиг. 3 показан пример установки испытываемых образцов деталей;
на фиг. 4 и фиг. 5 показаны результаты испытаний (размытые потоком жидкости детали).
Устройство (фиг. 2) содержит насос 12, который нагнетает промывочную жидкость 13 из приемного бака 14 в магистраль 15, далее промывочная жидкость 13 проходит через контейнер 25 (более подробно испытываемые образцы показаны на фиг.3), в котором установлены испытываемые образцы деталей, которые подвергаются абразивному износу, затем промывочная жидкость 13 по магистрали 15 поступает в приемный бак 14, где вытекая из патрубка 16 на высокой скорости обеспечивает перемешивание промывочной жидкости 13 с абразивными частицами. В устройстве предусмотрен вентиль 17, который позволяет в нужный момент времени остановить циркуляцию промывочной жидкости 13. Таким образом, осуществляется циркуляция промывочной жидкости 13 по замкнутому контуру, имитирую движение бурового раствора по внутритрубному пространству колонны буровых труб 4 (фиг. 1). Заявленное устройство позволяет предупредить вышеописанные технические проблемы.
На фиг. 3 показан пример установки испытываемых образцов деталей. Встречная деталь 18, установлена навстречу потоку жидкости 13, проходящему по магистрали 15, в сопрягаемую деталь 19 с одной стороны. Выходная деталь 20 установлена с противоположной стороны сопрягаемой детали 19. Поток жидкости 13, проходя через отверстие 22, сопрягаемой встречной детали 19, перенаправляется при помощи встречной детали 18 в отверстие меньшего диаметра 21. Пройдя отверстие меньшего диаметра 21, поток жидкости 13 перенаправляется при помощи выходной детали 20, в отверстие 23. При данной схеме установки встречная деталь 22, сопрягаемая деталь 19, выходная деталь 20 подвергаются абразивному износу посредством воздействия на них потоком жидкости 13, при помощи заявленного устройства.
Например, конструктивно проработаны детали, которые будут установлены во внутритрубном пространстве, допустим телесистемы или являются частью турбогенератора, и подвергаются воздействию потока жидкости с абразивными частицами (бурового раствора). Первые испытываемые образцы изготавливаются из мягкого материала (для упрощения и скорости изготовления, а также для получения более быстрого результата абразивного износа), например из Д16Т. Образцы необходимо установить в устройство, запустить процесс «промывки», допустим на 24 часа, далее снять образцы и визуально или при помощи измерительных инструментов и приспособлений оценить степень и характер износа. Неравномерный износ, с глубокими впадинами на сопрягаемых деталях (фиг. 5) - это последствия кавитации при турбулентном потоке, значит, в этом месте поток требует плавного изменения направления - это и есть первая задача, которую помогает решить заявленное устройство. Следующий вид износа - это износ одной из сопрягаемых деталей (фиг. 4), возникает при «неправильном» направлении или перенаправлении потока жидкости (например, при устранении турбулентности потока и кавитации). Следующий вид износа - это равномерный износ сопрягаемых деталей (если последовательно дошли до него, устраняя предыдущие два вида износа, то это «правильный путь») свидетельствует о малой площади проходного сечения для потока жидкости, его последствия устраняются увеличением сечения и тем самым снижением скорости. На этом этапе экспериментов определяется скорость потока жидкости, при которой начинается абразивный износ в конкретном сечении, а также максимальное процентное содержание абразивных частиц в потоке жидкости. В случае если скорость потока жидкости изменить не представляется возможным конструктивно, а содержание абразивных частиц в потоке жидкости соответствует минимальным требованиям, то детали изготавливают из износостойких материалов, на поверхностях деталей, подверженных износу предусматривают защитные износостойкие покрытия, конструктивно предусматривают защиту наиболее дорогостоящих деталей. Наилучшим результатом эксперимента считается отсутствие абразивного износа на образцах деталей, изготовленных из мягкого материала, поверхности деталей ровные и гладкие с шероховатостью поверхности Ra0,2…0,63, то есть поток «сгладил» шероховатость поверхности после механической обработки до указанных выше значений.
Таким образом, заявленное устройство для исследования влияния скорости, направления, состава потока жидкости на материалы и конструкцию аппаратуры, применяемой для геофизических исследований скважин в процессе бурения, обеспечивает решение указанных выше технических проблем и получение при его использовании предусмотренного авторами технического результата.