Насадка для получения пульсации самовозбуждающихся колебаний струи бурового раствора и буровой инструмент с этой насадкой

 

Изобретение относится к бурению скважин. Насадка для получения пульсации самовозбуждающихся колебаний струй бурового раствора, используемая в буровом инструменте, например в монолитном долоте или триконическом долоте, для подачи пульсирующей струи тиксотропического бурового раствора во время операций бурения. В насадке выполнено впускное отверстие, сообщающееся с внутренней полостью, и выпускное отверстие. Размеры отверстий выбираются так, чтобы вызвать циклическое распространение возмущений на границе сдвига, образованной между раствором, проходящим прямо через насадку, и раствором, который на мгновение захватывается полостью, тем самым приводя к образованию самовозбуждающегося колеблющегося потока указанного раствора внутри насадки и к образованию быстро пульсирующего потока, выходящего из насадки. 2 с. и 20 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к бурению, а более точно к насадке для получения пульсации самовозбуждающихся колебаний струи бурового раствора и боровому инструменту с этой насадкой. Эта насадка может использоваться во вращательных монолитных бурах или триконических буровых молотках, используемых для бурения глубоких скважин при поисках нефти и газа.

Хорошо известно разрезающее действие струи бурового раствора, способствующее механическому воздействию бурового долота. Кроме того, буровой раствор смазывает и охлаждает долото и циркулирует так, чтобы вымывать буровой шлам и обломки каменных пород. Обычно буровой раствор направляют непрерывной струей через ряд конических или конически сужающихся насадок, содержащихся в пазах над коническими шарошками долота или выполненных по сторонам долота.

Также известно, что пульсирующие струи имеют важные преимущества в разрезании породы по сравнению с непрерывными струями потока. Путем приложения периодически меняющихся нагрузок к скалистой породе пульсирующие струи могут не только создавать воздействие мгновенного "гидравлического удара" большой величины, но также могут создавать значительное напряжение растяжения, влияя на сопротивление горной породы сжатию. Это будет приводить к ослаблению горной породы за счет отражения волн напряжения до какого-либо механического сдвигающего, выдалбливающего или скоблящего действия бурового долота, приводя к более быстрому удалению обломков породы и к более высоким скоростям проходки при бурении.

Однако использование скважинного инструмента, создающего пульсирующую струю за счет механического прерывания или механического возбуждения обычного или установившегося потока бурового раствора, приводит к большим потерям энергии, а также к механическому износу необходимых при этом движущихся деталей и уплотнений. Известны клапанные устройства для создания колебаний, вызывающие пульсацию потока (см. например, европейские патенты N 0333484 А и N 0370709 А). Известна также насадка для ограничения потока и создания кавитации, то есть для образования пузырьков в жидкости, которые лопаются внутри при контакте со скалистой горной породой, что приводит к ослаблению и разрушению поверхности, подвергающейся бурению (см. Патент Великобритании N 2104942 А). Однако, чтобы улучшить удаление обломков горной породы, раствор также подают под высоким давлением через не приводящую к кавитации насадку для создания поперечного потока. Желательно более эффективно достигать это с помощью одной насадки, подающей быстро колеблющийся пульсирующий поток.

Известна насадка для создания самовозбуждающегося акустического резонанса, вызывающая образование испускаемой струи в виде больших отдельных вихревых колец (см. V. J. Johnson, Jr. и др. Fransaclions of ASMF, Vol. 106. 1984, с. 282). Насадка с участком уменьшенного диаметра в виде "органной трубы" для образования стоячих волн с акустическим резонансом внутри насадки вызывает возбуждение и формирование струи вне насадки, которые также могут сопровождаться кавитацией. Однако данная идея не предполагает, что самовозбуждающиеся колебания струи могут возникнуть внутри насадки для создания быстро пульсирующей струи при ее выходе из насадки. Кроме того, с насадками с акустическим резонансом связана проблема, заключающаяся в том, что длина насадки ограничена пространством, имеющимся в камере долота для размещения насадок. Удлиненные концы насадок также подвержены поломкам и авариям в скважине.

Известна насадка для самовозбуждающихся колебаний ньютоновой жидкости, такой как вода, создающая пульсирующую струю для применения при резке хрупкого материала (см. Z. F. Ziao u D. S. Huand. Paper 19, International Symposium on Jet Cutting Fechnology. 1986. Duoham, England). Насадка имеет простую осесимметричную полость с впускным и выпускным отверстием меньшего диаметра, чем диаметр полости. Периодические импульсы давления генерируются в сдвигаемом слое между струей в полости и окружающей текучей средой, и колебания струи происходят тогда, когда она выходит из насадки в атмосферу. Однако нет работ по аналогичному эффекту в неньютоновой или тиксотропической текучей среде, такой как буровой раствор, выходящей из насадки в среду с высоким давлением жидкости, а не в окружающий воздух.

Было обнаружено, что эффект самовозбуждающейся пульсирующей струи, аналогичный описанному в работе Ziao и Huand, может быть получен и для находящегося под высоким давлением бурового раствора в насадке, в которой выполнена осесимметричная полость. Этот эффект не зависит от очень значительной нагрузки, создаваемой давлением, или "противодавления" на дне ствола скважины, создаваемого весом бурового раствора и бурового шлама в кольцевом пространстве, окружающем буровую колонну, и от гидростатического давления бурового раствора. Поразительно, что самовозбуждающаяся пульсирующая струя может быть получена с большой частотой колебаний, которая модулируется с имеющей явно постоянный характер низкочастотной характеристикой. Этот последний эффект используется для увеличения деформации под нагрузкой и дробления скалистой горной породы.

Известно буровое долото с насадкой, расположенной в его корпусе и предназначенной для получения пульсации самовозбуждающихся колебаний струи бурового раствора (см. Международную заявку WO 91/083071, кл. E 21 B 10/60). Эта насадка имеет полость с соосными с ней впускным каналом и выпускным каналом. Диаметр выпускного канала больше диаметра впускного канала и меньше диаметра полости.

Однако вышеописанная насадка не обеспечивает высоких скоростей бурения, а также надлежащей очистки, охлаждения и смазки бурового инструмента.

Техническим результатом изобретения является создание бурового инструмента с насадкой, обеспечивающей получение пульсирующей струи раствора вокруг внешней поверхности бура для создания дополнительных напряжений в подвергаемой бурению скальной породе и увеличения скорости бурения, а также для очистки, охлаждения и смазки бурового инструмента.

Этот технический результат достигается тем, что в насадке для получения пульсации самовозбуждающихся колебаний струи бурового раствора, имеющей полость с соосными ей впускным каналом и выпускным каналом, диаметр которого больше диаметра впускного начала и меньше диаметра полости, согласно изобретению длина полости выбирается таким образом, чтобы возбудить циклическое распространение возмущений на границе сдвига, образованной между тиксотропическим буровым раствором, проходящим прямо через насадку, и тиксотропическим буровым раствором, который на мгновение захватывается полостью, тем самым приводя к образованию самовозбуждающегося колеблющегося потока указанного раствора внутри насадки и быстро пульсирующего потока, выходящего из насадки.

Вышеуказанный результат достигается и тем, что в буровом инструменте, содержащем корпус с породоразрушающим элементом и расположенную в корпусе насадку для получения пульсации самовозбуждающихся колебаний струи бурового раствора, которая имеет полость с соосными ей впускным каналом и впускным каналом, диаметр которого больше диаметра впускного канала и меньше диаметра полости, согласно изобретению, длина полости насадки выбирается таким образом, чтобы возбудить циклическое распространение возмущений на границе сдвига, образованной между тиксотропическим буровым раствором, проходящим прямо через насадку, и тиксотропическим раствором, который на мгновение захватывается полостью, тем самым приводя к образованию самовозбуждающегося колеблющегося потока указанного раствора внутри насадки и быстро пульсирующего потока, выходящего из насадки.

На практике насадка для получения пульсаций располагается в пазу, который открывается непосредственно к внешней поверхности бура. Размеры насадки должны быть подобраны в точности таким образом, чтобы получить быстро пульсирующую струю бурового раствора, способную оказать влияние на скорость бурения.

Целесообразно, чтобы боковые стенки впускного канала были выполнены конически сужающимися внутрь. Предпочтительно, чтобы длина впускного канала была больше длины полости. Можно также, чтобы боковые стенки выпускного канала были выполнены цилиндрическими или коническими расходящимися наружу. Предпочтительно, чтобы пересечение нижней поверхности полости и боковых стенок выпускного канала было ограничено острой кромкой. Целесообразно, чтобы острая кромка была упрочнена и это упрочнение было выполнено в виде покрытия или вставки из алмаза или эльбора.

Предпочтительно, чтобы отношение диаметра выпускного канала к диаметру впускного канала составляло 1,01 1,30 или 1,10 1,28.

Целесообразно, чтобы в полости была расположена разделяющая ее на две сообщающиеся между собой полости, перегородка с соосным полости каналом, диаметр которого больше или равен диаметру впускного канала.

Выгодно, чтобы длина полости или полостей выбиралась так, чтобы она была больше диаметра выпускного канала или меньше суммы трех диаметров впускного канала и трех диаметров канала перегородки.

На фиг. 1 показан перспективный вид сверху продольного сечения насадки для получения пульсации самовозбуждающих колебаний струи бурового раствора в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения; на фиг. 2а d схема распространения самовозбуждающегося колеблющегося потока через насадку, изображенную на фиг. 1; на фиг. 3 перспективный вид сверху продольного сечения насадки или получения пульсации в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения; на фиг. 4 продольное сечение насадки для получения пульсации по третьему варианту выполнения изобретения; на фиг. 5 график изменения давления во времени, на котором показано давление в насадке или давление застойной зоны потока во время испытания; на фиг. 6 график изменения давления во времени, на котором показано давление в трубопроводе и противодавление во время того же самого испытания.

На фиг. 1 показан первый вариант выполнения насадки для получения пульсации самовозбуждающихся колебаний струи бурового раствора. Эта насадка имеет цилиндрический корпус 1 с полостью 2 цилиндрической формы, имеющей диаметр D и длину L. Полость 2 имеет соосные с ней впускной канал 3 диаметром D₁ и выпускной канал 4 диаметром D₃. Углы 5 полости 2 скруглены, например, с радиусом скругления, равным 2 мм. Боковые стенки 6 впускного канала 3 выполнены цилиндрическими, но в других вариантах выполнения они могут быть выполнены конически сужающимися внутрь или конически расходящимися наружу.

Пересечение нижней поверхности 7 полости 2 и боковых стенок 8 выпускного канала 4, выполненных цилиндрическими, ограничено острой упрочненной кромкой и может быть выполнено в виде покрытия или вставки из алмаза или эльбора. Пересечение верхней поверхности 9 полости 2 и боковых стенок 6 впускного канала 2 также может быть ограничено острой упрочненной кромкой. Эти краевые зоны крайне важны для инициирования распространения вихреобразных возмущений, когда буровой раствор течет под давлением через насадку.

Предпочтительно, чтобы отношение диаметра D₃ выпускного канала 4 к диаметра D₁ впускного канала 3 составляло 1,01 1,30 или 1,10 1,28, но существенно то, что D₃ больше D₁, а D значительно больше D₁ или D₃. Длина впускного канала 3 должна быть больше длины полости 2.

Длина L полости 2 должна выбираться тщательно, если она слишком мала, буровой раствор будет течь прямо через насадку струей, не вызывая распространения желательных возмущений потока между граничным слоем струи, находящейся под высоким давлением раствора, который течет от впускного канала 3 к выпускному каналу 4, и раствором, находящимся под низким давлением, который в течение более длительного периода времени остается в полости 2. Если длина L слишком большая, возможно распространение нециклических или непостоянных возмущений, но это не приведет к образования циклического распространения возмущений на границе сдвига, образованной между тиксотропическим буровым раствором, проходящим прямо через насадку, и тиксотропическим буровым раствором, который на мгновение захватывается полостью 12, тем самым приводя к образованию самовозбуждающегося потока указанного раствора внутри насадки и быстро пульсирующего потока, выходящего из насадки. В примере, когда отношение D₃ D₁ составляет 1,10 - 1,23 при заданном диаметре D₁ примерно 10 мм, длина L предпочтительно составляет 17 29 мм.

На фиг. 2a 2d показан предполагаемый теоретически режим распространения возмущений в потоке бурового раствора под давлением, проходящего через насадку, показанную на фиг. 1. Трудно наблюдать реальный режим распространения (возмущений) в лаборатории, поскольку установившаяся частота колебаний чрезвычайно высока. Сначала, как показано на фиг. 2а, струя 10 бурового раствора, находящегося под высоким давлением, пропускается через впускной канал 3, который за счет сужения сечения потока и уменьшения диаметра приводит к быстрому увеличению скорости по сравнению с раствором на входе в насадку и с раствором 11 в остальной части полости 2. Раствор 11 подвергается большим сдвигающим усилиям на границе между ним и струей 10, это особенно проявляется за счет того, что буровые растворы, как правило, имеют сравнительно высокую плотность и вязкость. Двигающее действие вызывает образование вихреобразных колец вокруг струи. Эти вихри сначала распространяются у края впускного канала 3 и смещаются вниз вдоль границы надлежащим образом, как показано на фиг. 2b, пока не произойдет их соударения с кромкой выпускного канала 4. К этой стадии расширение струи приведет к смещению вихревых колец от границы к распространению или к перемещению их назад выше по отношению к чувствительной зоне 12, в которой происходит начальное разделение за счет сдвига и которая находится рядом с кромкой канала 3, как показано на фиг. 2c. Это вызывает вихревые пульсации. Собственная неустойчивость разделения за счет сдвига на граничном слое струи усиливает небольшие возмущения, действующие на зону начального разделения за счет сдвига.

Усиленное возмущение после этого будет смещаться вниз к чувствительной зоне 13, чтобы снова столкнуться с кромкой, как показано на фиг. 2d. Вслед за этим вышеописанные явления повторяются и цикл, состоящий из исходного вихреобразования (см. фиг. 2b), смещения в обратном направлении (см. фиг. 2c), усиления (см. фиг. 2d), замыкается.

В результате в слое сдвига и в потенциальной середине струи развиваются сильные колебания. Внутри полости 2 в целом может образоваться зона колеблющегося давления и скорость струи, выходящей из выпускного канала 4, периодически меняется.

Рационально, что колебания происходят без какого-либо внешнего возбуждения и являются такими, которые описываются как "самовозбуждающиеся". Таким образом, для получения пульсирующего потока не требуется никаких движущихся деталей или клапанных конструкций.

Насадка типа, показанного на фиг. 1, может быть приспособлена для установки в пазы для фиксации насадки в большинстве конструкций вращательного бурового инструмента.

На фиг. 3 показан второй вариант выполнения изобретения, при котором насадка 14 имеет впускной канал 15 диаметром D₁, полость, которая разделена на две полости 16 и 17 одинакового размера (каждая длиной L и диаметром D) с помощью перегородки 18, в которой выполнен соосный полости канал 19 диаметром D₂, и впускной канал 20 диаметром D₃. Длина и диаметр полостей 16 и 17 не обязательно должны быть одинаковыми. Например, диаметр полости 17 может быть немного большим. Длина полости или полостей 16, 17 выбирается так, чтобы она была больше диаметра выпускного канала 20 или меньше суммы трех диаметров впускного канала 15 и трех диаметров канала 19 перегородки 18. Эта конструкция обеспечивает возможность распространения двух раздельных замкнутых циклов в полостях 16 и 17, подобных описанному выше, и приводит к большому увеличению скорости струи, выходящей из выпускного канала 20 за счет большей общей длины плоскости.

На фиг. 4 показан наиболее предпочтительный вариант выполнения насадки, при котором насадка 21 имеет цилиндрическую полость 22, выпускной канал 23, имеющий цилиндрические стенки, и увеличенный впускной канал 24, имеющий конически расходящиеся наружу стенки в виде воронки. Следует отметить, что в канале 24 имеется короткий участок 25 цилиндрической формы, продолжающий коническую поверхность. Он может составлять порядка 3 мм, в то время как длина участка с конусообразными стенками составляет, например, порядка 19 мм. В данном примере длина полости 22 составляет около 27 мм. Такая насадка может быть выполнена из сплава, состоящего, например, из 84 мас. карбида вольфрама м 16 мас. кобальта.

Воронкообразный впускной канал 24 придает форму раструба потоку бурового раствора, поступающего в полость 22 насадки, и уменьшает потери давления текучей среды по сравнению с цилиндрическими впускными каналами 3, 15, описанными выше и показанными на фиг. 1 и 3. Поразительно, что поток бурового раствора приобретает воронкообразую форму в большей степени, чем ожидалось, и возникает эффект "сжатой вены", что происходит, возможно, благодаря тому, что буровой раствор является тиксотропическим, то есть его вязкость уменьшается с увеличением скорости, и в этой ситуации появляющаяся в полости 22 струя охватывается окружающим буровым раствором, имеющим более низкую скорость и более высокую вязкость. Это явление также может привести к большему сдвигу на границе струи в полости 22 по данному варианту исполнения.

Ниже приводятся результаты испытаний выполненной насадки.

Насадка, соответствующая нижеследующим критическим размерам, испытывалась при использовании бурового раствора, подаваемого в нее с линейной скоростью 57,5 м/с.

Диаметр впускного канала 13 мм Диаметр выпускного канала 14 мм Длина полости 17 мм На фиг. 5 показаны очень быстрые колебания давления в насадке во время испытания. Среднее давление со временем также изменяется более или менее регулярно, как показано пунктирной кривой. По отношению к вышеописанным колебаниям это можно рассматривать как модуляцию частоты колебаний. Однако могут возбуждаться как высокочастотные (например, с частотой больше примерно 1 кГц), так и низкочастотные (например, с частотой больше примерно 20 Гц) первичные колебания. Модулированная частота, как правило, составляет порядка 0,25 10 Гц.

На фиг. 6 показано соответствующее изменение давления, измеренное: а) в буровом растворе до насадки (давление в трубопроводе); b) в буровом растворе после насадки (противодавление).

Формула изобретения

1. Насадка для получения пульсации самовозбуждающихся колебаний струи бурового раствора, имеющая полость с соосными ей впускным и выпускным каналами, диаметр выпускного канала больше диаметра впускного канала и меньше диаметра полости, отличающийся тем, что длина полости выбирается таким образом, чтобы возбудить циклическое распространение возмущений на границе сдвига, образованной между тиксотрипическим буровым раствором, проходящим прямо через насадку, и тиксотропическим буровым раствором, который на мгновение захватывается полостью, тем самым приводя к образованию самовозбуждающегося колеблющегося потока указанного раствора внутри насадки и быстро пульсирующего потока, выходящего из насадки.

2. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что боковые стенки впускного канала выполнены конически сужающимися внутрь.

3. Насадка по п. 2, отличающаяся тем, что длина впускного канала больше длины полости.

4. Насадка по любому из пп. 1 3, отличающаяся тем, что боковые стенки выпускного канала выполнены цилиндрическими или конически расходящимися наружу.

5. Насадка по п. 4, отличающаяся тем, что пересечение нижней поверхности полости и боковых стенок выпускного канала ограничено острой кромкой.

6. Насадка по п. 5, отличающаяся тем, что острая кромка упрочнена.

7. Насадка по п. 6, отличающаяся тем, что упрочнение острой кромки выполнено в виде покрытия или вставки из алмаза или эльбора.

8. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что отношение диаметра выпускного канала к диаметру впускного канала составляет 1,01 1,30.

9. Насадка по п. 8, отличающаяся тем, что отношение диаметра выпускного канала к диаметру впускного канала составляет 1,10 1,28.

10. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что в полости расположена разделяющая ее на две сообщающиеся между собой полости перегородка с соосным полости каналом, диаметр которого больше или равен диаметру впускного канала.

11. Насадка по п. 10, отличающаяся тем, что длина полости или полостей выбирается так, чтобы она была больше диаметра выпускного канала или меньше суммы трех диаметров впускного канала и трех диаметров канала перегородки.

12. Буровой инструмент, содержащий корпус с породоразрушающим элементом и расположенную в корпусе насадку для получения пульсации самовозбуждающихся колебаний струи бурового раствора, которая имеет полость с соосными ей впускным каналом и выпускным каналом, диаметр которого больше диаметра впускного канала и меньше диаметра полости, отличающийся тем, что длина полости насадки выбирается таким образом, чтобы возбудить циклическое распространение возмущений на границе сдвига, образованной между тиксотропическим буровым раствором, проходящим прямо через насадку, и тиксотропическим буровым раствором, который на мгновение захватывается полостью, тем самым приводя к образованию самовозбуждающегося колеблющегося потока указанного раствора внутри насадки и быстро пульсирующего потока, выходящего из насадки.

13. Инструмент по п. 12, отличающийся тем, что боковые стенки впускного канала выполнены конически сужающимися внутрь.

14. Инструмент по п. 13, отличающийся тем, что длина впускного канала больше длины полости.

15. Инструмент по любому из пп.12 14, отличающийся тем, что боковые стенки выпускного канала выполнены цилиндрическими или коническими, расходящимися наружу.

16. Инструмент по п. 15, отличающийся тем, что пересечение нижней поверхности полости и боковых стенок выпускного канала ограничено острой кромкой.

17. Инструмент по п. 16, отличающийся тем, что острая кромка упрочнена.

18. Инструмент по п. 17, отличающийся тем, что упрочнение острой кромки выполнено в виде покрытия или вставки из алмаза или эльбора.

19. Инструмент по п. 12, отличающийся тем, что отношение диаметра выпускного канала к диаметру впускного канала составляет 0,1 0,30.

20. Инструмент по п. 19, отличающийся тем, что отношение диаметра выпускного канала к диаметру впускного канала составляет 1,10 1,28.

21. Инструмент по п. 12, отличающийся тем, что в полости расположена разделяющая ее на две сообщающиеся между собой послости перегородка с соосным полости каналом, диаметр которого больше или равен диаметру впускного канала.

22. Инструмент по п. 21, отличающийся тем, что длина полости или полостей выбирается такой, чтобы она была больше диаметра выпускного канала или меньше суммы трех диаметров впускного канала и трех диаметров канала перегородки.

РИСУНКИ

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