Фильтр бурильной колонны
DRILL STRING FILTER

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к фильтрующим устройствам для очистки промывочной жидкости при бурении скважин и защиты бурового оборудования.
Известна конструкция фильтра (см. Ахмадишин Ф.Ф. Опытное применение фильтра на всасывающей линии буровых насосов / Ф.Ф. Ахмадишин, В.Е. Пронин, С.Л. Багнюк / Сборник научных трудов ТатНИПИнефть. Выпуск № LXXX. Москва, 2012 год, стр. 182-186), устанавливаемого на всасывающей или выкидной линии буровых насосов.
Фильтр представляет собой перфорированную трубу, снабженную наконечником на нижнем конце и отверстием на верхнем конце, для обеспечения съема фильтра с места установки. На наружной поверхности перфорированной трубы установлено опорное кольцо с возможностью опоры на внутренний выступ в осевом канале бурильной трубы.
Диаметр перфорированных отверстий на трубе принимается равным ∅=4÷5 мм с их расположением в шахматном порядке по телу трубы.
К недостаткам конструкции фильтра следует отнести низкую эффективность фильтрации с быстрым забиванием перфорационных отверстий механическими примесями, с формированием на них арочных структур, наличием застойных зон, изменением скорости отфильтрованного потока бурового раствора.
Известна конструкция фильтра (В.М. Гаврилко, B.C. Алексеев. Издательство второе / М.: Недра, 1976 год, стр. 5-8), представляющая собой перфорированную трубу, ряды перфорационных отверстий на которой размещены в шахматном порядке. Верхний конец перфорированной трубы снабжен соединительным элементом, а на нижнем конце на резьбе закреплена пробка-заглушка. Перфорированная труба устанавливается в осевом канале бурильной колонны труб.
Работа фильтра
Поток бурового раствора подается внутрь осевого канала перфорированной трубы и через перфорационные отверстия истекает в кольцевой зазор между стенкой трубы бурильной колонны и наружной поверхностью фильтра. Расстановка и количество перфорационных отверстий на теле трубы определяют исходя из расчетного расхода бурового раствора.
Шлам и различные механические примеси оседают над пробкой-заглушкой в осевом канале фильтра.
К недостаткам конструкции можно отнести:
- при накоплении шлама в осевом канале фильтра происходит перекрытие живого сечения ряда перфорационных отверстий, что приводит к увеличению скорости фильтрационного потока через оставшиеся отверстия. При этом интенсифицируются процессы абразивного воздействия на конструкцию фильтра, что снижает надежность его работы;
- наличие глухой пробки на нижнем конце фильтровой трубы определяет наличие застойной зоны, что влияет на работу всего фильтра.
Практика показывает, что при фильтрации бурового раствора через перфорационные отверстия возможно также образование на них арочных структур из мелких фракций, что негативно влияет на общую характеристику работы фильтра.
Известна конструкция фильтра с перепускным узлом (см. патент РФ №2016186, МПК Е21В 21/00, опубликован 15.07.1994 г.), в котором предусмотрено прохождение промывочной жидкости через фильтрационный элемент в кольцевую полость между ним и корпусом с оседанием шлама в осевом канале, а в другом случае подача промывочной жидкости происходит через кольцевую полость внутрь фильтрующего элемента.
Отличительной особенностью является соединение фильтрующей и направляющей трубы телескопическим способом с фиксацией их друг с другом посредством срезного штифта. Различное количество перепускных отверстий в фильтрующей и направляющей трубы обеспечивает гарантированное проходное сечение для пропуска промывочной жидкости к гидродвигателю.
На свободном конце фильтрующей трубы установлен контакт для передачи на ней вибрации с корпуса, что позволяет обеспечить более плотную упаковку шлама и его отделение от фильтрующих отверстий.
К недостаткам конструкции фильтра следует отнести:
- выполнение телескопического соединения фильтрующей трубы с направляющей трубой дает возможность продолжить процесс бурения после заполнения внутренней полости шламом за счет открытия дополнительного гидравлического канала. Но это приводит к прямой подаче необработанного бурового раствора в полость гидродвигателя или бурового долота, что может привести к их преждевременному износу.
Уплотнение отсепарированного шлама в накопительной полости только за счет передачи вибрации от бурильной колонны труб на корпус фильтра малоэффективно.
Следует также отметить, что задерживаются не только частицы шлама, размеры которых превосходят поперечное сечение перфорационных отверстий на фильтрующей трубе, но и более мелкие, которые формируют на перфорационных отверстиях арочные структуры, препятствующие дальнейшей фильтрации бурового раствора. Как показывает практика, разрушить эти структуры только хаотичной вибрацией полого корпуса не всегда эффективно.
Известна конструкция фильтра бурового раствора (см. патент РФ №2429342, МПК В21В 43/08, опубликован 20.09.2011 год), принятая авторами и патентообладателем за прототип.
Изобретение предназначено для очистки бурового раствора при бурении скважин с помощью забойных гидродвигателей с установкой в компоновке низа бурильной колонны.
Фильтр включает полый корпус с резьбами на концах, установленный в полом корпусе фильтрующей модуль, снабженный фильтрующей трубой и трубчатым конусом, образующими между собой полость для приема механических примесей. Фильтрующая труба снабжена щелевыми прорезями, скреплена с обтекателем, входная и выходная втулки - с кольцевыми канавками под уплотнительные кольца. Входная втулка выполнена с центрирующим пояском, направленным к трубчатому кожуху. Выходная втулка также снабжена центрирующим поясом, направленным к трубчатому кожуху. Фильтрующая труба соединена с выходной втулкой посредством резьбы, которая снабжена вытяжным крюком.
Работа фильтра
Буровой раствор по бурильной колонне поступает в кольцевую полость, откуда через щелевые прорези перетекает во внутреннюю полость фильтрующей трубы и далее в приемную камеру гидродвигателя.
Крупные фракции шлама задерживаются на внешней стороне фильтрующей трубы и скапливаются в кольцевой полости над выходной втулкой. При заполнении ее шламом процесс подачи бурового раствора через фильтр к гидродвигателю резко уменьшается. Это вызывает необходимость остановки процесса бурения и подъем бурильной колонны на поверхность для замены фильтра и бурового инструмента.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- достаточно сложная в изготовлении и сборке конструкция, поскольку наличие трубчатого корпуса сужает проходное сечение кольцевой камеры, удорожает изготовление конструкции.
Наличие только выходной втулки с ее опорой на выступ в полом корпусе в полной мере сохраняет работоспособность конструкции.
Наличие в составе конструкции входной втулки увеличивает гидравлическое сопротивление потоку бурового раствора и может негативно влиять на процесс фильтрации за счет накопления на ней шлама, например, из волокнистого материала.
Из практики эксплуатации фильтров с щелевой или круглой перфорацией известно, что на отверстиях происходит формирование арочных структур из частиц, которые имеют меньшие размеры, чем размеры отверстий на фильтрующей трубе. В данной конструкции не предусмотрено никакого воздействия на поток бурового раствора, чтобы эти арочные структуры нарушить или предотвратить их формирование.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- возможность предотвратить забивание перфорационных отверстий шламом за счет разрушения арочных структур вихревым потоком бурового раствора;
- возможность ликвидации застойной зоны над донышком путем выполнения в нем перфорационных отверстий;
- сохранение скорости отфильтрованного потока бурового раствора за перфорированной трубой путем ее конструктивного оформления в виде усеченного конуса;
- возбуждение гидродинамических импульсов в потоке бурового раствора с разрушением арочных структур на перфорационных отверстиях фильтрующей трубы;
- наложение вибраций на корпус и фильтрующую трубу способствует более плотной упаковке осадка в межтрубном и внутритрубном пространстве.
Технический результат достигается тем, что фильтр бурильной колонны состоит из полого корпуса с сужением осевого канала, фильтрующего модуля в виде перфорированной трубы с перфорационными отверстиями, переводником в верхней части, с захватом и опорным кольцом. Захват снабжен турбулизатором потока в виде стержня, в средней части которого выполнен ряд поперечных прорезей, размещенных в шахматном порядке, ниже которых выполнена винтовая спиральная нарезка. Стержень размещен во внутренней полости перфорированной трубы, которая выполнена в виде усеченного конуса и снабжена донышком, с перфорационными отверстиями и отверстием в центре в виде коноидальной насадки.
Фильтр бурильной колонны показан на чертеже в разрезе и состоит из перфорационной трубы 1 с верхним переводником 2 с захватом 3. На нижнем конце перфорационной трубы 1 установлено донышко 4, снабженное рядом дренажных отверстий 5, и осевое отверстие 6 в виде коноидальной насадки. На внешней стороне верхнего переводника 2 установлено и закреплено сваркой опорное кольцо 7, которое опирается на сужение 8 в полом корпусе 9. Внутренняя полость 10 перфорированной трубы 1 гидравлически связана с осевым каналом 11 бурильной колонны рядом перепускных отверстий 12, выполненных в теле верхнего переводника 2.
Захват 3 снабжен турбулизатором потока 13, выполненным в виде стержня 14 с рядом поперечных прорезей 15, размещенных по периметру в шахматном порядке.
На нижнем конце стержня 14 выполнена винтовая спиральная нарезка 16 для направления и закручивания потока при его подаче во внутреннюю полость 10 перфорированной трубы 1. Конструктивно перфорированная труба 1 выполнена в виде усеченного конуса, направленного меньшим основанием в сторону бурового инструмента, что увеличивает площадь кольцевого зазора по длине перфорированной трубы 1 и усредняет скорость потока бурового раствора.
Работа фильтра
Конструкция фильтра в сборе устанавливается опорным кольцом 7 на сужении 8 в осевом канале полого корпуса 9.
При подаче под давлением бурового раствора в бурильную колонну труб поток через перепускные отверстия 12 в теле верхнего переводника 2 подается во внутреннюю полость 10 перфорированной трубы 1. Далее поток перетекает через перфорационные отверстия в теле перфорированной трубы 1 и дренажные отверстия 5 и осевое отверстие 6 в донышке 4, поступает в кольцевой зазор между стенкой полого корпуса 9 и наружной конической поверхностью перфорированной трубы. При этом скорость отфильтрованного потока бурового раствора по мере перемещения вниз усредняется, то есть скорость потока остается стабильной.
При входе потока во внутреннюю полость 10 перфорированной трубы 1 ему придается вращательное движение, при взаимодействии с винтовой спиральной нарезкой 16 турбулизатора потока, который из-за наличия поперечных прорезей 15 осуществляет колебательные действия с возбуждением механического воздействия на поток и перфорированную трубу 1. Частицы шлама, оседающие в районе перфорационных отверстий во внутренней полости 10, не могут создать устойчивую арочную структуру, что препятствует нормальной фильтрации бурового раствора.
Вместе с тем, механические и гидродинамические колебания, накладываемые на поток бурового раствора, способствуют более плотной упаковке шлама во внутренней полости 10 перфорированной трубы 1.