СКВАЖИННЫЙ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ БУР

Полезная модель относится к горной и нефтегазовой промышленности, преимущественно к устройствам для гидравлического, механического и гидроабразивного разрушения горных пород, тампонажного камня и может быть использована для проходки и разбуривания скважин, пробуривания в открытых и обсаженных трубами скважин цементных мостов и стаканов, разрушения посторонних металлических предметов в стволе скважин, а также для очистки эксплуатационных колонн и лифтовых труб от технологических отложений и пробок. Наибольшее применение найдет при проведении капитального ремонта скважин, особенно на морских и месторождениях, расположенных в труднодоступных местах.
Известно устройство скважинный гидробур по авторскому свидетельству на полезную модель №30819, содержащий корпус с подвижной частью с приводом вращения и гидромониторные насадки, при этом скважинный гидробур снабжен неподвижной частью, корпус выполнен в виде патрона, через полости подвижной и неподвижной частей проходит вал, неподвижно закрепленные в патроне, с внутренней трубой, имеющими каждый в своей нижней части соосные отверстия, при этом вал в своей нижней части снабжен неподвижной крыльчаткой, в основании корпуса неподвижной части скважинного гидробура находятся перепускные каналы цилиндрической формы, сообщающиеся с межтрубным пространством, образуемым валом и внутренней трубой, в верхней части корпуса неподвижной части посредством резьбового соединения закреплен переводник, которым скважинный гидробур крепится к напорной колонне труб, в нижней части переводника установлено направляющее сопло, выходное отверстие которого находится внутри расширительного патрубка, закрепленного внизу корпуса неподвижной части скважинного гидробура и сообщающегося с внутренней трубой, между внешней поверхностью расширительного патрубка и корпусом размещен фильтр, выполненный в виде цилиндрического кольца к подвижной части скважинного гидробура, корпус которой выполнен в виде цилиндрической
муфты, на неподвижном валу крепится гидродолото с подвижной крыльчаткой, расположенной под подвижной крыльчаткой неподвижной части скважинного гидробура, в нижней, рабочей части гидродолота размещены гидромониторные насадки, при этом центральная насадка установлена соосно вертикальной оси внутренней полости скважинного гидробура, промежуточные насадки установлены под углом 20-40° к вертикальной плоскости, проходящей через центральную ось, боковые насадки размещены за промежуточными и установлены под углом 40-50° к вертикальной плоскости, проходящей через центральную ось, при этом выходные отверстия промежуточных и боковых насадок направлены в противоположную сторону от вращения скважинного гидробура, обеспечиваемого гидроприводом.
Недостатками данного устройства являются:
- узкая область применения из-за того, что конструкция не позволяет держать высокие (более 10-12 МПа) перепады давления рабочей жидкости на гидромониторных насадках, необходимые для эффективного разрушения тампонажного камня или горной породы.
При повышенных перепадах и вращении корпуса с гидродолотом уплотнения нагрузочного узла довольно быстро (5-20 мин.) изнашиваются и теряют герметичность, а это приводит к резкому снижению рабочего давления (перепаду на гидромониторных насадках) и поступлению мехпримесей вместе с рабочей жидкостью в радиально-нагрузочные подшипники с последующей их заклинкой и коррозии. Затяжка уплотнений из-за малой величины крутящего момента развиваемого гидроприводом (0,5-1,5 кг/м) приводит к прекращению вращения корпуса с гидродолотом;
- конструкция гидродолота не позволяет выполнять функции механического долота, что снижает эффективность работы устройства при разрушении материалов повышенной прочности.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является скважинный гидробур по авторскому свидетельству на полезную модель №20922, содержащий корпус с гидромониторными насадками, в котором корпус выполнен с внутренней подвижной частью с приводом вращения и герметизирующими уплотнениями, между корпусом и внутренней подвижной частью, при этом привод вращения выполнен в виде гидротурбины, укрепленной на верхнем конце внутренней
подвижной части, гидромониторные насадки установлены тангенциально на ее нижнем конце, по ее центральной оси установлена дополнительная гидромониторная насадка, а тангенциально установленные насадки расположены под острым углом к ее центральной оси внутренней подвижной части. В устройстве, по меньшей мере, одна из гидромониторных насадок выполнена подвижной в осевом направлении и подпружинена в направлении выхода водяных струй.
К недостаткам данного устройства относится узкая область применения, связанная с низкой технологичностью конструкции и его ограниченными функциональными возможностями, а именно:
конструкция не позволяет держать высокие (более 10-12 МПа) перепады давления рабочей жидкости на гидромониторных насадках, необходимые для разрушения и эффективного разрушения тампонажного камня повышенной прочности и твердой горной породы и которые по экспериментальным данным и опыту бурения находятся в пределах до 20-40 МПа.
Это обусловлено тем, что уплотнения нагрузочного узла (конструкции) устройства при повышенных перепадах и вращении рабочего полого вала быстро (в течение 0,5-1,0 часа) изнашиваются и теряют герметичность. Это приводит к резкому снижению рабочего давления, поступлению рабочей жидкости и мехпримесей в радиально-нагрузочные подшипники с последующей их заклинкой и поломкой. Сильная затяжка уплотнений приводит к прекращению вращения ротора гидробура;
- конструкция гидродолота не позволяет выполнять функции механического долота, что снижает эффективность работы устройства и, соответственно, скорость проходки. Это обусловлено тем, что при проходке цементных мостов и горной породы повышенной прочности довольно часть возникает необходимость в механическом разрушении встречающихся твердых разностей и вкраплений, в том числе таких как: доломит, конгломерат, щебень, галька и т.д.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности разрушения тампонажного камня повышенной прочности и твердой горной породы.
Технический результат достигается решением технической задачи, направленной на наиболее эффективное использование энергии жидкостного потока при обеспечении необходимого крутящего момента на валу.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в скважинном гидромеханическом буре, содержащем корпус, выполненный с внутренней вращающейся частью, приводом вращения в виде гидротурбины с гидродолотом и гидравлическими соплами-насадками, корпус состоит из нижней, промежуточной и верхней частей, вращающаяся часть имеет сквозное отверстие для прохода части потока рабочей жидкости и нагрузочную пяту, вращающаяся часть вверху выполнена в виде многоступенчатого ротора гидротурбины, промежуточная часть неподвижного корпуса напротив ротора выполнена в виде многоступенчатого статора гидротурбины, ниже статора в промежуточной части корпуса имеются перепускные отверстия, верхняя часть корпуса выполнена с цилиндрическим каналом и калиброванным штуцером для подачи части потока рабочей жидкости на гидротурбину, образуемую многоступенчатым статором и многоступенчатым ротором, гидродолото выполнено с породоразрушающими вставками, а выходное сечение гидравлических сопел удалено от режущей кромки породоразрушающих вставок не более чем на 5-10 мм.
Сущность предполагаемой полезной модели заключается в том, что в предлагаемом устройстве основной поток рабочей жидкости делится на две части, что позволяет использовать энергию на разные виды работ - гидравлическое разрушение горной породы, и для создания достаточного требуемого крутящего момента на валу устройства для механического разрушения горной породы.
Меняя соотношение частей потока, в зависимости от решаемой задачи можно усиливать или уменьшать влияние гидравлического или механического способа разрушения горной породы, подбирая наиболее оптимальное соотношение для конкретных условий.
Наличие перепускного отверстия, расположенного ниже статора, в промежуточной части корпуса позволяет части жидкостного потока, поступающего в гидротурбину, преобразовываться в необходимый крутящий момент на валу
ротора, что приводит долото с соплами и породоразрушающими вставками во вращение вокруг своей оси, что способствует эффективному гидромеханическому разрушению забоя скважины по всей площади ствола скважины. При этом давление части потока, прошедшей гидропривод резко снижается и перед перепускными каналами приближается к давлению в скважине, т.е. отсутствует перепад давления между внутренней и наружной частями, увеличивая ресурс его работоспособности.
Наличие породоразрушающих вставок позволяет одновременно с гидравлическим использовать механическое разрушение тампонажного камня и горных пород, что ускорит проходку в породах средней твердости и позволит разрушать искусственные камни и породы высокой твердости. Выходное сечение гидромеханических сопел удалено от режущей кромки породоразрушающих вставок не более чем Lo=5-10 мм. Сокращение расстояния менее чем 5 мм приведет к быстрому эрозионному износу корпуса долота и породоразрушающих вставок обратной струей, а увеличение более чем 10 мм резко снизит гидравлическое давление жидкостного потока на разбуриваемую среду и, соответственно, скорость проходки.
На чертеже изображен скважинный гидромеханический бур.
На фиг.1 - вид спереди с вертикальным разрезом.
На фиг.2 - вид долота снизу.
На фиг.3 вид долота с боку.
Скважинный гидромеханический бур состоит из неподвижного корпуса 1 и вращающейся подвижной части 2. Корпус 1 состоит из нижней части 3, промежуточных 4, 5 и верхней 6.
Вращающаяся часть имеет сквозное отверстие 7 для прохода основной части потока рабочей жидкости, нагрузочную пяту 8, а вверху выполнена в виде многоступенчатого ротора гидротурбины 9. Внизу к вращающейся подвижной части 2 жестко крепится долото 10.
Промежуточная часть 5 неподвижного корпуса 1, напротив ротора 9, выполнена в виде многоступенчатого статора гидротурбины 11. Ниже статора 11 в промежуточной части 5 корпуса 1 имеются перепускные отверстия 12.
Между вращающейся частью 2 и неподвижным корпусом 1 имеются нагрузочные и радиальные подшипники 13, уплотнители 14, подвижные гайки 15, центрирующий подшипник 16 и защитная гайка 17.
Верхняя часть 6 корпуса 1 имеет цилиндрический канал 18 и калиброванный штуцер 19 для подачи части потока рабочей жидкости на гидропривод, образуемый статором 11 и ротором 9. В верху верхней части 6 корпуса 1 имеется переводник для крепления устройства к колонне напорных труб (на чертеже не показано).
Долото 10 имеет сопла 20 и породоразрушающие вставки 21.
В предлагаемом устройстве выходное сечение сопел 20 удалено от режущей кромки породоразрушающих вставок не более, чем на Lo=5-10 мм (см. фиг.3), что позволяет наиболее эффективно использовать и сочетать гидро- и механический способы разрушения разбуриваемой среды.
Устройство работает следующим образом.
Устройство верхней частью 6 корпуса 1 жестко крепится к колонне напорных труб (на рисунке фиг.1 не показано), в качестве которых можно использовать бурильные трубы (БТ) или насосно-компрессорные трубы (НКТ) и опускают в скважину на заданную глубину. Наземными насосными агрегатами в колонну напорных труб под избыточным давлением до 12-50 МПа и более нагнетают заданный объем рабочей жидкости, обычно от 7,0 до 35,0 л/сек и более.
Часть основного потока рабочей жидкости через сквозное отверстие 7 поступает во внутреннюю полость долота 10, откуда через сопла 20 поступает на забой, где за счет перепада давления (от 9 до 40 МПа и более) между внутренней частью долота 10 и забоем струи рабочего потока разгоняется от 110 до 300 м/сек и более. Ударяясь при таких скоростях о забой скважины, жидкостный поток быстро разрушает горную породу или тампонажный цементный камень. То есть, возникает гидромониторный эффект - разрушение породы струей жидкости.
Другая часть потока через калиброванный штуцер 19 и цилиндрический канал 18 поступает в гидротурбину, образуемый статором 11 и ротором 9, а затем через перепускные отверстия 12 поступает в выходящий основной поток, увеличивая его скорость и способствуя более быстрому и полному очищению забоя от шлама разрушенной породы или тампонажного материала.
Энергия части потока, проходящего через гидропривод, преобразуется в необходимый крутящий момент на валу ротора 9, что приводит долото 10 с соплами 20 и породоразрушающими вставками 21 (алмазные, твердосплавные и др.) во вращение вокруг своей оси, что способствует эффективному гидромеханическому разрушению забоя скважины по всей площади ее диаметра. При этом давление части потока прошедшей гидропривод резко снижается и перед Перепускными каналами приближается к давлению в скважине. Благодаря этому, нагрузочный узел, состоящий из нагрузочных и радиальных подшипников 13, уплотнителей 14 и поджимных гаек 15 работает, в отличие от прототипа, без перепада давления между внутренней и наружной частями, что резко увеличивает ресурс (в 10 и более раз) его работоспособности.
Деление основного потока рабочей жидкости в предлагаемом устройстве на две части позволяет использовать их энергию на разные виды работ - гидравлическое разрушение горной породы и для создания достаточного требуемого крутящего момента на валу устройства для механического разрушения горной породы. Это, в отличие от прототипа, позволяет наиболее эффективнее использовать гидравлическую энергию потока рабочей жидкости и расширить область применения устройства.
Пример. Расход общей рабочей жидкости =30,0 л/сек. Для разрушения породы повышенной прочности перепада на соплах должен быть не менее 30,0 МПа. Необходимая мощность на валу - 300 л.с. Плотность рабочей жидкости
3
ρ=1000 кг/м.
Известно, что гидравлическая мощность потока жидкости, подводимого к гидроприводу, определяется как произведение расхода прокачиваемой жидкости на перепад давления (или напор) по формуле:
Где: Н - напор в м;
3
Р - удельный вес, в кг/м;
3
Q - расход жидкости, в м/ceк.
Используя формулу (1), определяем, что для получения требуемой мощности на валу равной 300 л.с. и сохранения перепада на соплах равного 30,0 МПа, в
устройстве прототипа необходимо поднять избыточное давление на 7,5 МПа, что приведет к дополнительным энергетическим затратам.
В предлагаемом устройстве, без изменения избыточного давления, для достижения мощности на валу равной 300 л.с., достаточно использовать перепад давления 2 части потока, равной 25% от общего.
Таким образом, меняя соотношение частей потока, в зависимости от решаемой задачи, можно усиливать или уменьшать влияние гидравлического или механического способа разрушения горной породы, подбирая наиболее оптимальное соотношение для конкретных условий.
Использование предлагаемой конструкции скважинного гидромеханического бура в отличие от аналогов и прототипа позволяет:
- при неизменных расходе и устьевом давлении эффектней использовать энергию жидкостного потока, обеспечив при этом требуемый крутящий момент на валу;
- одновременно с гидравлическим использовать механическое разрушение тампонажного камня и горных пород, что ускорит проходку в породах средней твердости и позволит разрушать искусственные камни и породы высокой твердости;
- многократно повысить ресурс работоспособности уплотнений нагрузочного узла;
- повысить надежность и бесперебойность работы устройства в различных скважинных условиях, расширив этим область применения.
Ориентировочный экономический эффект от использования в скважинах глубиной от 2500 до 5000 м оценен в размере 250-500 тыс.руб. на одну скважину.