Устройство для вскрытия водоносного пласта

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при сооружении восстающих и наклонно-восстающих скважин. Устройство включает породоразрушающий инструмент с промывочным каналом, трубчатый переводник, фильтр и колонну обсадных труб. Фильтр содержит фильтровую трубу со средней перфорированной частью и концевыми неперфорированными частями и фильтрующий элемент, размещенный внутри фильтровой трубы, который связан с концевыми ее частями посредством передней и задней кольцевых перемычек с образованием центральной, периферийной, передней концевой и задней концевой полостей. Внутри фильтрующего элемента размещена напорная труба, которая соединена разъемно одним концом с трубчатым переводником и оснащена на другом конце пакером. В полости переводника и пакера размещены обратные клапаны. Периферийная полость фильтра и задняя концевая полость дополнительно гидравлически соединены между собой посредством щелевых каналов. Для принудительной промывки передняя кольцевая перемычка фильтра оснащена уплотняющим элементом, а периферийная полость фильтра гидравлически соединена с его передней концевой полостью посредством щелевых каналов. Фильтрующий элемент может быть выполнен гофрированным с расположением вершин и впадин на линиях, параллельных продольной оси фильтрующего элемента. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при сооружении восстающих и наклонно-восстающих дренажных скважин в сложных гидрогеологических условиях.

Известен буровой снаряд (авт.св. СССР N 1234597, кл. Е 21 В 43/10, G 01 N 1/04), который выполнен в виде двойной колонны. Снаряд включает породоразрушающий инструмент, переводник с обратным клапаном, обсадную колонну труб, внутреннюю колонну фильтровых труб из синтетических фильтрующих элементов и механизм для закрепления внутренней колонны. Устройство обеспечивает проходку скважины на определенную глубину, выдвижение внутренней колонны, установку ее в водоносном пласте с последующим закреплением.

Недостаток известного устройства заключается в том, что фильтрующий элемент в условиях высоконапорного водоносного пласта может быть деформирован, что влечет за собой повышенную кольматацию и снижает продолжительность работы фильтра, так как не обеспечивается формирования естественного фильтра в прифильтровой зоне.

Известно также устройство для вскрытия водоносного горизонта [1] которое включает породоразрушающий инструмент с промывочным каналом, фильтр и колонну обсадных труб. Фильтр содержит внутреннюю перфорированную трубу с фильтрующим элементом, выполненным в виде проволочной намотки, при этом труба имеет кольцевые неперфорированные части с резьбами, одной из которых труба соединена с верхней (передней) перемычкой, а второй с колонной обсадных труб. Фильтр защищен наружной перфорированной трубой, соединенной с передней перемычкой с образованием кольцевой полости между наружной трубой и фильтрующим элементом. А нижняя (задняя) перемычка выполнена с одним или несколькими окнами, гидравлически соединяющими образованную полость с внешним пространством в зоне фильтра. Внутри фильтра размещен патрубок (напорная труба), который верхним концом соединен разъемно с передней перемычкой, а на другом оснащен пакером, взаимодействующим с внутренней поверхностью неперфорированной части внутренней трубы. В каналах пакера и верхней перемычки размещены обратные клапаны. Известное устройство обеспечивает защиту фильтрующего элемента от бурового шлама. Недостатком известного устройства является то, что после проходки глинистого слоя, подстилающего водоносный пласт, полость между трубой и фильтрующим элементом оказывается забита глинистым уплотнением и фильтрующий элемент выведен из строя. Естественная промывка этой полости затруднена, так как отверстия наружной перфорированной трубы и каналы нижней перемычки, соединяющие забившуюся полость с наружным пространством, находятся в зоне одинакового давления, что затрудняет движение вод высоконапорного водоносного пласта, кроме того известное устройство не обеспечивает формирования естественного фильтра, а также суффозионной устойчивости пород прифильтровой зоны.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2] включающее породоразрушающий с промывочным каналом инструмент, трубчатый переводник, фильтр и колонну обсадных труб. Фильтр содержит фильтровую трубу со средней перфорированной и концевыми неперфорированными частями и фильтрующий элемент, размещенный внутри фильтровой трубы. Фильтр снабжен передней и задней кольцевыми перемычками, в результате чего образована замкнутая полость между фильтровой трубой и фильтрующим элементом и центральная полость. Внутри фильтрующего элемента размещена напорная труба, которая с помощью резьбы соединена с переводником, а на другом конце оснащена пакером и имеет обратные клапаны, находящиеся в каналах пакера и переводника.

Недостатком известного устройства является то, что после проходки устройством глинистого слоя в полости между фильтровой трубой и фильтрующим элементом образуется плотное глинистое уплотнение, которое удерживается задней кольцевой перемычкой, в результате чего фильтрующий элемент оказывается забит, а фильтр не работоспособен.

Целью изобретения является создание устройства для вскрытия водоносного пласта, обеспечивающего проходку глинистого слоя, подстилающего водоносный пласт, и последующую стабильную долговечную работу фильтра с обеспечением суффозионной устойчивости пород прифильтровой зоны за счет снижения гидравлического сопротивления фильтра на время освоения скважины.

Устройство включает последовательно соединенные между собой породоразрушающий с промывочным каналом инструмент, трубчатый переводник, по крайней мере один фильтр и колонну обсадных труб. Фильтр содержит фильтровую трубу со средней перфорированной и концевыми неперфорированными частями и фильтрующий элемент, размещенный внутри фильтровой трубы, который связан с концевыми ее частями посредством передней и задней кольцевых перемычек с образованием центральной, периферийной, передней концевой и задней концевой полостей. Внутри фильтрующего элемента размещена напорная труба, соединенная разъемно одним концом с трубчатым переводником и оснащенная на другом конце пакером, взаимодействующим с внутренней поверхностью неперфорированной части фильтровой трубы или смежной с ней обсадной трубы.

Отличительной особенностью устройства является то, что периферийная полость фильтра и задняя концевая его полость дополнительно гидравлически соединены между собой посредством щелевых каналов в задней кольцевой перемычке.

Это уменьшает гидравлическое сопротивление фильтра на время освоения скважин благодаря перепаду давлений между водоносным пластом и полостью обсадных труб, вследствие чего обеспечивается промывка периферийная полости фильтра от глинистого уплотнения и последующее заполнение этой полости песчаными и мелкогравийными частицами с образованием дополнительного естественного фильтра, работающего совместно с фильтрующим элементом. Кроме того улучшаются условия формирования естественного фильтра в прифильтровой зоне, что обеспечивает суффозионную устойчивость пород прифильтровой зоны и долговечность работы фильтра.

Для принудительной промывки периферийной полости от глинистого уплотнения передняя кольцевая перемычка фильтра оснащена уплотняющим элементом с возможностью взаимодействия с наружной поверхностью напорной трубы, а периферийная полость фильтра гидравлически соединена с его передней концевой полостью посредством щелевых каналов, выполненных в передней кольцевой перемычке. Это расширяет область применения: устройство может работать и в случае недостаточного естественного перепада давления. Кроме того применение принудительной промывки может ускорить процесс очистки периферийной полости от глинистых частиц.

Для улучшения промывки и удаления глинистого уплотнения фильтрующий элемент может быть выполнен гофрированным с расположением вершин и впадин на линиях, параллельных продольной оси фильтрующего элемента, и ориентирован впадинами против щелей кольцевых перемычек.

Этим достигается дополнительный технический результат за счет возможности усиления результата естественной промывки путем ослабления глинистого уплотнения в зоне вершин фильтрующего элемента, а также за счет направления потока напорных вод вдоль линий, параллельных продольной оси фильтрующего элемента.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, вертикальный разрез, фаза проходки глинистого пласта; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 то же, вертикальный разрез, фаза принудительной промывки глинистого уплотнения; на фиг. 4 устройство с гофрированным фильтрующим элементом, часть поперечного разреза; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 устройство, вертикальный разрез, фаза промывки глинистого уплотнения под естественным напором водоносного пласта; на фиг. 7 узел I на фиг. 6, конечная фаза заполнения периферийной полости фильтра песчаными и мелкогравийными частицами.

Предлагаемое устройство включает последовательно соединенные между собой породоразрушающий инструмент 1 (фиг.1), трубчатый переводник 2, по крайней мере один фильтр 3 и колонну обсадных труб 4. Породоразрушающий инструмент 1 имеет промывочный канал 5. Трубчатый переводник 2 также имеет аналогичный канал 6; оснащен обратным клапаном 7 и связан с породоразрушающим инструментом 1 с помощью резьбового соединения 8. Фильтр 3 содержит фильтровую трубу 9 со средней перфорированной частью 10 с отверстиями 11 и концевыми неперфорированными частями 12 и 13 и фильтрующий элемент 14, размещенный внутри фильтровой трубы 9.

Фильтрующий элемент 14 выполнен, например, из стеклопластика, жестко связан посредством передней 15 и задней 16 кольцевых перемычек с концевыми неперфорированными частями 12 и 13 фильтровой трубы 9. При этом образованы центральная 17 и периферийная 18 полости и концевые полости передняя 19 и задняя 20. Периферийная полость 18 заключена между фильтрующим элементом 14 и перфорированной частью 10 фильтровой трубы 9. Внутри фильтрующего элемента 14 в центральной полости 17 размещена напорная труба 21, которая разъемно, например с помощью резьбового соединения 22, соединена одним концом с трубчатым переводником 2, а на другом конце имеет пакер 23, взаимодействующий с внутренней поверхностью 24 неперфорированной части 13 фильтровой трубы 9 или смежной с ней трубы колонны обсадных труб 4. Пакер 23 выполнен с осевым каналом 25 и обратным клапаном 26.

Для обеспечения естественной промывки фильтра и последующего образования защитной зоны фильтрующего элемента в задней кольцевой перемычки 16 выполнены щелевые каналы 27 (фиг.2), гидравлически соединяющие периферийную полость 18 фильтра с ее задней концевой полостью 20. Размер щелевых каналов выбран с учетом обеспечения суффозионной устойчивости пород прифильтровой зоны.

Для принудительной промывки фильтра 3 (фиг.3) передняя кольцевая перемычка 15 может быть выполнена с щелевыми каналами 28 и снабжена уплотняющим элементом 29, перекрывающим зазор между передней кольцевой перемычкой 15 и напорной трубой 21.

Для интенсификации промывки фильтрующий элемент 30 (фиг.4) выполнен гофрированным, в котором вершины 31 и впадины 32 расположены на линиях 33 и 34 (фиг. 5), параллельных продольной геометрической оси 35 гофрированного фильтрующего элемента 30, и ориентированы впадинами 32 против щелевых каналов 27 и 28 передней 15 и задней 16 кольцевых перемычек.

Фильтрующий элемент 30 может быть выполнен из стеклопластика.

Устройство работает следующим образом.

Устройством с помощью бурового станка (на чертежах не показан) ведут бурение восстающей или наклонно-восстающей скважины 36 (фиг.1). До вскрытия водоносного пласта бурение производится по подстилающему водоупорному слою 37, представленному глинами. При прохождении этого слоя частицы глины через отверстия 1 фильтровой трубы 9 заполняют периферийную полость 18, образуя плотное непроницаемое глинистое уплотнение, выключающее из работы фильтрующий элемент 14. После посадки фильтра 3 в водоносный пласт 38 (фиг.6) извлекают с помощью инвентарной колонны (на чертежах не показана) пакер 23 с напорными трубами 21. В это время фильтрующий элемент 14 не работает из-за наличия глинистого уплотнения в периферийной кольцевой полости 18. Однако при наличии перепада давлений в высоконапорном водоносном пласте 38 и полости колонны обсадных труб 4 создается эффект вакуумного подсоса и постепенное вымывание глинистых частиц из периферийной полости 18, вначале из зоны, примыкающей к задней кольцевой перемычке 16, а затем из всей периферийной зоны 18, и вынос их через щелевые каналы 27.

В результате движения напорных вод песчаные и мелкогравийные частицы водоносного пласта 38 (фиг.7) заполняют периферийную полость 18, отверстия 11 фильтровой трубы 9 и пространство прифильтровой зоны, образуя естественный фильтр 39, работающий совместно с фильтрующим элементом 14.

В случае необходимости применения принудительной промывки (фиг.3) после отсоединения напорных труб 21 от переводника 2 производят ограниченное их перемещение вниз с тем, чтобы верхний конец находился в полости 19, которая через щелевые каналы 28 гидравлически связана с периферийной полостью 18. После включения промывочного насоса (на чертежах не показан) промывочная жидкость под давлением, превышающим давление водоносного пласта 38, из напорных труб 21 поступает через полость 19 и щелевые каналы 28 в периферийную полость 18 и вымывает глинистые частицы через отверстия 11 фильтровой трубы 9 в затрубное пространство, начиная с передней части, а затем вымывание происходит и через щелевые каналы 27.

В том случае, когда фильтрующий элемент 30 выполнен гофрированным (фиг. 4), происходит ослабление образованного глинистого уплотнения, и промывка периферийной полости 18 улучшается, при наличии впадин 32 увеличивается эффективность размыва, так как образуются направленные потоки, кроме того толщина сальника в зоне вершин 31 значительно меньше, там происходит соединение вертикальных потоков и более эффективный разрыв глинистого уплотнения (фиг.4 и 5).

В период работы фильтра такое выполнение фильтрующего элемента 30 обеспечит дополнительный эффект водоотвода за счет увеличения фильтрующей поверхности.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВСКРЫТИЯ ВОДОНОСНОГО ПЛАСТА, включающее в себя последовательно соединенные породоразрушающий инструмент с промывочным каналом, трубчатый переводник, по крайней мере один фильтр и колонну обсадных труб, причем фильтр содержит фильтровую трубу со средней перфорированной и концевыми неперфорированными частями и фильтрующий элемент, размещенный в фильтровой трубе и связанный с ее концевыми частями посредством передней и задней кольцевых перемычек с образованием центральной, периферийной, передней концевой и задней концевой полостей, а внутри фильтрующего элемента размещена напорная труба, соединенная разъемно одним концом с трубчатым переводником и оснащенная на другом конце пакером, взаимодействующим с внутренней поверхностью неперфорированной части фильтровой трубы или смежной с ней обсадной трубы, отличающееся тем, что периферийная и задняя концевая полости фильтра дополнительно гидравлически соединены между собой посредством выполненных в задней кольцевой перемычке щелевых каналов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено уплотняющим элементом, который установлен между внутренней поверхностью передней кольцевой перемычки фильтра и наружной поверхностью напорной трубы, а периферийная полость фильтра гидравлически соединена с его передней концевой полостью посредством щелевых каналов, выполненных в передней кольцевой перемычке.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что фильтрующий элемент выполнен гофрированным, причем образующие вершин и впадин гофров параллельны продольной оси устройства, а впадины ориентированы напротив щелей кольцевых перемычек.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7