Устройство для разбуривания уплотненной пробки в скважине
APPARATUS FOR DRILLING OUT COMPRESSED PLUG IN BOREHOLE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разбуривания уплотненных пробок в скважине.
В отечественной практике при разбуривании уплотненных пробок, в частности песчаных или проппантовых, используют различные механические или гидравлические роторы, посредством которых осуществляется вращение спущенных в аварийную скважину колонны труб, например, бурильные трубы, насосно-компрессорные трубы, стальные бурильные трубы, с породоразрушающим инструментом, например, фрезером, долотом и др. (Амиров А.Д. и др. Справочная книга по текущему и капитальному ремонту нефтяных и газовых скважин - М.: Недра, 1979. - с. 26-28).
На сегодняшний день большинство скважин вступили в позднюю стадию разработки, которая характеризуется низкими устьевыми параметрами и поступлением на забой скважины пластовой воды. Применение традиционных способов разбуривания уплотненной пробки с использованием роторов или забойных двигателей, для вращения колонны труб, подразумевает глушение скважины, что на данной стадии разработки может привести к выбытию скважины из эксплуатации. Для проведения ремонта без глушения скважины можно использовать колтюбинговую установку, при этом основной проблемой является отсутствие возможности вращения гибкой трубы.
Известно устройство для удаления уплотненных пробок из скважин с помощью гидробура, спускаемого в скважину на канате (Амиров А.Д. и др. Справочная книга по текущему и капитальному ремонту нефтяных и газовых скважин - М.: Недра, 1979, с. 187). Гидробур содержит долото, желонку, плунжерный насос, плунжер, корпус насоса, боковой клапан, корпус желонки, шариковый клапан, центральную трубу.
Недостатком известного устройства является низкая эффективность разрушения пробки, а также его габаритный размер, который не исключает возможность прихвата гидробура в скважине. По этой же причине не получится разбурить уплотненную пробку за одну спуско-подъемную операцию, так как корпус желонки гидробура ограничен по объему. Еще одним недостатком гидробура является трос, который спутывается в колонне труб и не способен передавать осевое усилие на инструмент.
Известна желонка для очистки забоя скважины (патент RU № 136079, опубл. 27.12.2013), содержащая переводники, контейнер, обратный клапан, центрирующую воронку.
Недостатком известного устройства является то, что оно не эффективно для разбуривания уплотненных пробок, а спуск его проводится исключительно на колонне насосно-компрессорных труб.
)
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для разбуривания уплотненной пробки в скважине (патент RU № 162846, опубл. 27.06.2016, содержащее последовательно соединенные средство приложения осевой силы, винтовой несамотормозящий механизм и породоразрушающий инструмент, винтовой несамотормозящий механизм содержит ведущее звено - полый цилиндрический вал, соединенный со средством приложения осевой силы, и ведомое звено - полый цилиндрический корпус, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси, при этом в нижней части полого цилиндрического корпуса закреплен породоразрушающий инструмент, указанное средство приложения осевой силы представляет собой колонну насосно-компрессорных труб, колонну бурильных труб или колонну гибких (ГТ).
Недостатками устройства являются:
- во-первых, низкая надёжность работы устройства, так как внутренняя полость полого цилиндрического корпуса заполнена смазкой. При попадании во внутреннюю полость разбуренного шлама в виде песка или проппанта это приведёт к заклиниванию несамотормозящего механизма, и как следствие, выходу из строя устройства;
- во-вторых, низкое качество разбуривания уплотнённой пробки, так как в качестве породоразрушающего инструмента применяют долото, которое из-за своей конструкции не обеспечивает качественное углубление при разбуривании (углублении) уплотнённой пробки при малых оборотах вращения, создаваемых несамотормозящим механизмом, в сравнении с винтовыми забойными двигателями. Это не позволяет качественно разрыхлять уплотнённую проппантную или песчаную пробку;
- в-третьих, низкая эффективность выноса разбуренного шлама из скважины в процессе промывки. Это обусловлено тем, что при прямой промывке частицы разбуренного шлама при подъеме с промывочной жидкостью по затрубному пространству за счёт своего веса оседают обратно на разбуриваемую уплотнённую пробку, а в случае обратной промывки, например при внезапной остановке работы устройства или при извлечении устройства из скважины разбуренные частицы шлама оседают обратно в скважину, но уже из внутреннего пространства колонны труб;
- в-четвертых, ограниченные функциональные возможности работы устройства в скважинах с асфальтеносмолопарафиновыми отложениями, в наклонных скважинах и скважинах малого диаметра (диаметрами 114, 120, 140 мм). Это обусловлено тем, что в процессе работы устройства, т.е. при создании циклических осевых нагрузок происходит вращение корпуса, которое гасится силами трения об стенки скважины, при этом силы трения либо полностью гасят вращение корпуса и породоразрушающего инструмента, жестко связанного с ним, либо обороты вращения породоразрушающего инструмента минимальны, что не обеспечивает разбуривание уплотнённой пробки.
Техническими задачами изобретения являются создание устройства, обеспечивающего повышение надёжности работы устройства, качества разбуривания уплотнённой пробки, эффективности выноса разбуренного шлама из скважины в процессе промывки, а также расширение функциональных возможностей работы устройства.
Поставленные технические задачи решаются устройством для разбуривания уплотненной пробки в скважине, содержащим последовательно соединенные средство приложения осевой силы – колонну труб, винтовой несамотормозящий механизм, содержащий полый цилиндрический вал и полый цилиндрический корпус, и породоразрушающий инструмент.
Новым является то, что колонна труб через муфту жестко соединена с полым цилиндрическим корпусом с возможностью осевого перемещения вниз, при этом снизу к полому цилиндрическому валу жестко соединен породоразрушающий инструмент, имеющие возможность вращения вокруг своей оси, при этом устройство оснащено полым штоком, вставленным сверху в полый цилиндрический вал, а верхняя часть полого штока ввернута в полый цилиндрический корпус, причём верхний торец полого штока оснащен седлом под шар, причём верхний конец полого цилиндрического вала оснащен ограничителем хода осевого перемещения полого цилиндрического корпуса, при этом полый шток подпружинен вверх от ограничителя хода к внутреннему верхнему торцу полого цилиндрического корпуса, породоразрушающий инструмент выполнен в виде муфты с остроконечными перьями снизу и промывочными каналами между перьями, при этом нижняя торцевая поверхность муфты оснащена бабитовым сплавом, причем в рабочем положении при разгрузке веса колонны труб на устройство колонна труб, полый цилиндрический корпус и жестко соединенный с ним полый шток перемещаются вниз относительно вращающегося полого цилиндрического вала с породоразрушаюшим инструментом, сжимая пружину до взаимодействия ограничителя хода с внутренним верхним торцом полого цилиндрического корпуса, а при подъёме колонны труб пружина разжимается, при этом  полый цилиндрический вал с породоразрушающим инструментом вращаются в обратном направлении относительно полого цилиндрического корпуса до взаимодействия ограничителя хода полого цилиндрического штока с внутренним нижним торцом полого цилиндрического корпуса и устройство занимает исходное положение.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для разбуривания уплотненной пробки в скважине, в котором показано расположение полого цилиндрического вала в крайнем верхнем положении.
На фиг. 2 схематично изображено устройство для разбуривания уплотненной пробки в скважине, в котором показано расположение полого цилиндрического вала в крайнем нижнем положении.
На фиг. 3 показан вид А устройства.
Устройство для разбуривания уплотненной пробки в скважине содержит последовательно соединенные средство приложения осевой силы – колонну труб 1 (фиг. 1-2) (например, колонну ГТ наружным диаметром 44,5 мм с толщиной стенки 4 мм), винтовой несамотормозящий механизм 2 и породоразрушающий инструмент 3. Винтовой несамотормозящий механизм 2 содержит ведущее звено – полый цилиндрический вал 4 и ведомое звено – полый цилиндрический корпус 5.
В качестве винтового несамотормозящего механизма 2 могут быть использованы винтовые передачи с малым трением скольжения.
Колонна ГТ 1 через муфту 6 жестко соединена с полым цилиндрическим корпусом 5 с возможностью осевого перемещения вниз.
Снизу к полому цилиндрическому валу 4 жестко соединен породоразрушающий инструмент 3, имеющие возможность вращения вокруг своей оси. Устройство оснащено полым штоком 7, вставленным сверху в полый цилиндрический вал 4. Верхняя часть полого штока 7 посредством резьбового соединения 8 ввернута в полый цилиндрический корпус 5.
Верхний торец полого штока 7 оснащен седлом 9 под шар 10.
Верхний конец полого цилиндрического вала 4 оснащен ограничителем хода 11 осевого перемещения полого цилиндрического корпуса 5. Ограничитель хода 11 выполнен в виде наружной кольцевой выборки на верхнем конце полого цилиндрического вала 4.
Полый шток 7 подпружинен с помощью пружины 12 вверх от ограничителя хода 11 к внутреннему верхнему торцу 13 полого цилиндрического корпуса 5. Полый шток 7 гидравлически связывает полый цилиндрический вал 4 и полый цилиндрический корпус 5 в процессе промывки при разбуривании уплотнённой пробки.
Породоразрушающий инструмент 3 выполнен в виде муфты 14 с остроконечными перьями, например в количестве четырёх штук 15', 15", 15"', 15"" (фиг. 1-3) снизу и промывочными каналами 16', 16", 16"', 16"" (фиг. 1-2) между перьями 15', 15", 15"', 15"". Нижняя торцевая поверхность муфты 14 оснащена бабитовым сплавом 17 (фиг. 1-3).
В рабочем положении при разгрузке веса колонны труб 1 (фиг. 2) на устройство колонна труб 1, полый цилиндрический корпус 5 и жестко соединенный с ним полый шток 7 перемещаются вниз относительно вращающегося полого цилиндрического вала 4 с породоразрушаюшим инструментом 3, сжимая пружину 12. Во время вращения породоразрушающего инструмента 3 происходит разбуривание уплотнённой пробки (песчаной, проппантной).
Сжатие пружины 12 происходит до взаимодействия ограничителя хода с внутренним верхним торцом 13 полого цилиндрического корпуса 5, после чего вращение полого цилиндрического корпуса 5 и соединённого с ним породоразрушающего инструмента 3 прекращается.
При подъёме колонны труб 1 пружина 12 разжимается, при этом за счёт возвратной силы пружины 12 полый цилиндрический вал 4 с породоразрушающим инструментом 3 вращаются в обратном направлении до взаимодействия ограничителя хода полого цилиндрического вала 4 с внутренним нижним торцом 18 (фиг. 1-2) полого цилиндрического корпуса 5, при этом устройство занимает исходное положение.
Несанкционированные перетоки промывочной жидкости с частицами разбуренного шлама в процессе работы устройства исключаются уплотнительными кольцами 19 и 20.
Полый шток 7 в паре с полым цилиндрическим валом 4, благодаря уплотнению 19 и 20, обеспечивают герметичность винтового несамотормозящего механизма 2 в процессе работы, кроме того полый шток 7 исключает необходимость заполнения внутренней полости устройства солидолом.
Устройство работает следующим образом.
В аварийную скважину (на фиг. 1-3 не показано), до «головы» уплотненной пробки, например, песчаной или проппантовой, спускают предлагаемое устройство, например, с помощью передвижного подъемного агрегата с использованием, как указано выше колонны ГТ 1 (см. фиг. 1) диаметром 44,5 мм с толщиной стенки 4 мм в качестве средства приложения осевой силы F.
При упоре устройства в уплотненную пробку поступательное движение средства приложения осевой силы F (колонны ГТ 1) преобразуется во вращательное движение породоразрушающего инструмента 3.
3
Вызывают циркуляцию жидкости в скважине обратной промывкой (на фиг. 1 показано стрелками). В качестве жидкости используют, например сточную воду плотностью 1080 кг/м.
При действии осевой силы F происходит стопорение ведущего звена – полого цилиндрического корпуса 5 и его поступательное перемещение вниз. Ведомое звено – полый цилиндрический вал 4 начинает вращаться, приводя во вращательное движение породоразрушающий инструмент 3.
Породоразрушающий инструмент 3, выполненный в виде муфты 14 с остроконечными перьями 15', 15", 15"', 15"", например высотой h (см. фиг. 1) равной 15 см углубляется и разбуривает (разрыхляет) уплотнённую пробку, при этом поток жидкости, создаваемый обратной промывкой, выносит разбуренный шлам уплотнённой пробки через промывочные каналы 16', 16", 16"', 16"" между перьями 15', 15", 15"', 15""через внутренние пространства породоразрушающего инструмента 3, полого цилиндрического вала 4, полого штока 7, приподнимая шар 10 с седла 9 и внутреннее пространство колонны гибких труб 1 на поверхность (в желобную ёмкость на фиг. 1-3 не показано)
При этом вращающийся полый цилиндрический вал 4 спускается вниз по винтовой поверхности несамотормозящего механизма 2, сжимая пружину 12, до тех пор пока ограничитель хода 11 полого цилиндрического вала 4 своим верхним торцом не вступит во взаимодействие с внутренним верхним торцом 13 полого цилиндрического корпуса 5 (см. фиг. 2), после чего вращение полого цилиндрического корпуса 5 и соединённого с ним породоразрушающего инструмента 3 прекращается.
Кроме того, внутренний верхний торец 13 полого цилиндрического корпуса 5 ограничивает ход сжатием пружины 12. В связи с чем ограничивается чрезмерное усилие, воспринимаемое пружиной 12, которое может привести к поломке пружины.
Производят приподъем колонны ГТ 1 вверх на 2-3 метра, при этом за счёт возвратной силы пружины 12 полый цилиндрический вал 4 раскручивается в обратную сторону относительно полого цилиндрического корпуса 5 по винтовой поверхности несамотормозящего механизма 2, при этом породоразрушающий инструмент 3 вместе с вращающимся полым цилиндрическим валом 4  перемещаются вниз относительно неподвижного полого цилиндрического корпуса 5, до тех пор пока ограничитель хода 11 полого цилиндрического вала 4 своим нижним торцом не вступит во взаимодействие с внутренним нижним торцом 18 полого цилиндрического корпуса 5. Устройство занимает исходное положение (см. фиг. 1). Так происходит один цикл работы устройства, при этом обратную промывку продолжают.
Далее, как описано выше производят повторные циклы работы с предлагаемым устройством до разрушения уплотненной пробки, при этом обратную промывку выполняют постоянно в период работы устройства. Количество циклов работы устройства зависит от высоты уплотнённой (песчаной, проппантной) пробки, длины хода – L полого цилиндрического штока относительно полого цилиндрического корпуса 5. Например работы по удалению уплотнённой пробки выполняют за 8 вышеописанных циклов.
После завершения запланированных работ, прекращают обратную промывку, при этом шар 10 садится на седло 9, что исключает обратное оседание разбуренной уплотненной пробки обратно в скважину. Выполняют извлечение из скважины устройства.
Повышается надёжность работы устройства, так как внутренняя полость полого цилиндрического корпуса не заполняется смазкой, а герметичность несамотормозящего механизма 2 обеспечивается уплотнительными кольцами 19 и 20.
Повышается качество разбуривания уплотнённой пробки, так как в качестве породоразрушающего инструмента 3 применяют специальный инструмент, выполненный, виде муфты 14 с остроконечными перьями, например в количестве четырёх штук 15', 15", 15"', 15"" снизу и промывочными каналами 16', 16", 16"', 16"" между перьями 15', 15", 15"', 15"". Остроконечные перья 15', 15", 15"', 15"" как указано выше высотой h (см. фиг. 1) равной 15 см, что обеспечивает качественное рыхление уплотнённой поверхности разбуриваемой пробки в отличии от долота. Нижняя торцевая поверхность муфты 14 оснащена бабитовым сплавом 17 для увеличения долговечности породоразрушающего инструмента 3.
Повышается эффективность выноса разбуренного шлама из скважины в процессе промывки. Это обеспечивается благодаря работе устройства в режиме обратной промывки и шару с седлом, включенным в состав устройства, поэтому при внезапной остановке работы устройства, например при израсходовании объёма промывочной жидкости в процессе обратной промывки) или при извлечении устройства из скважины, шар 10 под собственным весом садится на седло 9, благодаря чему разбуренные частицы шлама не оседают обратно в скважину из внутреннего пространства колонны ГТ 1, а остаются внутри колонны ГТ и утилизируются в желобную ёмкость при подъёме ГТ 1 на поверхность.
Расширяются функциональные возможности работы устройства в скважинах с асфальтеносмолопарафиновыми отложениями, в наклонных скважинах, а также в скважинах малого диаметра (диаметрами 114, 120, 140 мм). Так как в предлагаемом устройстве вращение на породоразрушающий инструмент 3 выполняется не за счёт вращения полого цилиндрического корпуса 5, а за счет полого цилиндрического вала 4 при не вращающемся полом цилиндрическом корпусе 5, что позволяет исключить влияние сил трения на вращающийся полый цилиндрический корпус, что исключает потерю оборотов вращения породоразрушающего инструмента и конструктивно позволяет уменьшить наружный диаметр полого цилиндрического корпуса 5 при разбуривании уплотнённой пробки.
Предлагаемое устройство для разбуривания уплотненной пробки в скважине позволяет:
- повысить надёжность работы устройства;
- повысить качество разбуривания уплотнённой пробки;
- повысить эффективность выноса разбуренного шлама из скважины в процессе промывки;
- расширить функциональные возможности работы устройства.