Устройство для сооружения скважин

 

Изобретение относится к бурению глубоких скважин на воду, нефть и газ, в частности к повышению герметичности и прочности проницаемых пород. Предлагаемое устройство для сооружения скважин выполнено в виде центратора, смонтированного непосредственно над гидромониторным долотом. Лопасти центратора совмещены с лапами долота. Насадки расположены в лопастях центратора в плоскостях, перпендикулярных оси центрального канала. Точка пересечения осей насадков расположена на границе начального - в начале переходного участка струй, истекающих из насадков, вмонтированных в лопасти непосредственно над долотом. Точка пересечения осей насадков, установленных в верхнем ряду лопастей центратора, расположена на расстоянии не более 4 d_н от торцев насадков, где d_н - диаметр насадков. При одном и том же перепаде давления на долоте и насадках устройства (при фиксированной подаче буровых насосов) в нижнем ряду используют насадки, формирующие круглые струи меньшего диаметра. Или в нижнем ряду используют насадки, формирующие круглые струи, в верхнем ряду - насадки, формирующие плоские струи, вплоть до квадратных, эквивалентный диаметр которых равен диаметру насадков нижнего ряда. Или в нижнем ряду используют насадки, формирующие плоские струи, вплоть до квадратных, эквивалентный диаметр которых меньше диаметра насадков нижнего ряда. Использование изобретения сокращает затраты времени на создание низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы, позволяет более полно использовать гидравлическую мощность, подводимую к долоту. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к бурению глубоких скважин на воду, нефть и газ, в частности, к повышению герметичности и прочности стенок скважины.

Для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы известно устройство для сооружения скважин [1], содержащее корпус с центральным каналом, с двумя рядами лопастей центратора, разнесенными по высоте на длину, равную диаметру долота, с двумя одинакового диаметра насадками, оси которых пересекаются под углом 90^o, имеющими гидравлическую связь с центральным каналом корпуса, гидромониторное долото, установленное под корпусом. Для создания качественного низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы необходимо, чтобы точка пересечения осей насадков находилась на определенном расстоянии от стенки скважины. Вследствие возможного окружного движения долота за один оборот расстояние от торцев насадков до стенки скважины может изменяться в интервале 0...(D_д - d_у) мм, где D_д - диаметр долота, мм; d_у - диаметр корпуса устройства, мм. В результате изменения расстояния от торцев насадков до стенки скважины в таком широком диапазоне точка пересечения осей насадков может изменять свое положение относительно стенок скважин, что может приводить к изменению функций струй за один оборот от повышения герметичности и прочности до разрушения стенок скважины. Для ограничения нерегулируемых изменений расстояния от торцев насадков до стенки скважины в известном решении [1] насадки монтируются между двумя рядами опорно-центрирующих элементов, разнесенными по высоте на длину, равную диаметру долота. При применении такого устройства в реальных условиях бурения обнаружены следы контакта торцев насадков со стенкой скважины. Следовательно, такое выполнение устройства не позволяет избежать изменения функций струй, отмеченных выше.

Для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана в известном решении [1] реализуется воздействие гидроакустического поля (пульсации давления), генерируемого пересекающимися под углом 90^o высокоскоростными струями одинакового диаметра, на твердые частицы бурового раствора. В устройстве [1] используется только прямая волна, отраженная волна рассеивается в окружающей среде, что существенно снижает эффективность использования гидравлической энергии, подводимой к устройству и долоту.

Для создания качественного низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы при использовании устройства [1] необходима, как минимум, двукратная обработка одного и того же интервала на различных режимах: вначале при меньших перепадах давления на долоте и устройстве, затем при больших перепадах давления, что связано с изменением подачи буровых насосов. Двукратная обработка одного и того же интервала связана с увеличением затрат времени на создание низкопроницаемого (непроницаемого) экрана, а смена режима работы буровых насосов связана и с дополнительными материальными затратами.

Применение устройства [1] для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана связана с неэффективным использованием гидравлической мощности, подводимой к долоту (мощность, подводимая на очистку долота и забоя при повторной обработке стенок оказывается практически не используемой).

Кроме того, в известном техническом решении никак не связывается наличие гидромониторного долота, установленного под корпусом, с работой устройства для сооружения скважин.

Цель изобретения - сокращение затрат времени на создание низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы, более полное использование гидравлической мощности, подводимой к долоту.

Предлагаемое устройство для сооружения скважин выполнено в виде центратора, смонтированного непосредственно над гидромониторным долотом. Лопасти центратора совмещены с лапами долота. Насадки расположены в лопастях центратора в плоскостях, перпендикулярных оси центрального канала. Точка пересечения осей насадков расположена на границе начального - в начале переходного участков струй, истекающих из насадков, вмонтированных в лопасти непосредственно над долотом. Точка пересечения осей насадков, установленных в верхнем ряду лопастей центратора, расположена на расстоянии не более 4d_н от торцев насадков, где d_н - диаметр насадков. При этом обе точки пересечения осей насадков расположены не ближе l ≥ d_н/2sinα/2 , где l - расстояние от точек пересечения осей насадков до окружностей, описанных около лопастей центратора, α - угол пересечения струй. При одном и том же перепаде давления на долоте и насадках устройства (при фиксированной подаче буровых насосов) в нижнем ряду использованы насадки, формирующие круглые струи большего диаметра, в верхнем ряду - насадки, формирующие круглые струи меньшего диаметра, или в нижнем ряду использованы насадки, формирующие круглые струи, в верхнем ряду - насадки, формирующие плоские струи, вплоть до квадратных, эквивалентный диаметр которых равен диаметру насадков нижнего ряда; или в нижнем ряду использованы насадки, формирующие круглые струи, в верхнем ряду - насадки, формирующие плоские струи, вплоть до квадратных, эквивалентный диаметр которых меньше диаметра насадков нижнего ряда. При использовании любой комбинации насадков между нижним и верхним рядами может быть установлено дросселирующее устройство типа диафрагмы.

Промывочный канал, расположенный в гидромониторном долоте напротив насадков устройства, заглушен.

Выполнение устройства в виде центратора, лопасти которого совмещены с лапами долота, позволяет ограничить поперечное смещение устройства при любой форме движения долота (вращение вокруг оси долота и оси долота вокруг оси скважины).

Расположение насадков в лопастях центратора позволяет исключить контакт торцев насадков со стенкой скважины при любой форме движения долота на забое, уменьшить рассеивание энергии гидроакустических колебаний, генерируемых пересекающимися струями.

Частота колебаний, генерируемых высокоскоростной струей, уменьшается по мере удаления от торца насадка. Расположение точки пересечения осей насадков на границе начального - в начале переходного участков струй, истекающих из насадков, вмонтированных в лопасти центратора непосредственно над долотом, позволяет максимально использовать низкочастотную составляющую колебаний, генерируемых пересекающимися струями, для создания каркаса из твердых частиц бурового раствора в скелете породы. Расположение точки пересечения осей насадков, установленных в верхнем ряду лопастей центратора, на расстоянии не более 4d_н позволяет максимально использовать высокочастотную составляющую колебаний, генерируемых пересекающимися струями, для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана в скелете породы.

Фиксация точек пересечения осей насадков внутри окружностей, описанных около лопастей центратора, на расстоянии l ≥ d_н/2sinα/2 позволяет предотвратить эрозионное воздействие высокоскоростных струй бурового раствора на стенку скважины.

Глушение промывочного канала в гидромониторном долоте интенсифицирует поток жидкости со шламом от забоя в кольцевое пространство через свободное пространство между шарошками, появляется возможность использовать шлам наряду с твердыми частицами бурового раствора для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана в скелете породы, что особенно важно при низкой концентрации твердых частиц в буровом растворе, например, при бурении на технической воде.

Таким образом, совокупность признаков заявляемого устройства позволяет сократить затраты времени на создание низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы, полнее использовать гидравлическую мощность, подводимую к долоту, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображено устройство для сооружения скважин - общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид по стрелке Б на фиг. 1.

Устройство для сооружения скважин имеет корпус 1 с нижним рядом лопастей 2 и верхним рядом лопастей 3, в которые вмонтированы насадки 4 и 5, пространства между лопастями, где смонтированы насадки 4 и 5, выполнены в форме отражателей 6 и 7, гидромониторное долото 8 с насадками 9, заглушкой 10 и лапами 11. Устройство для сооружения скважин может включать и диафрагму 12.

После включения устройства в компоновку бурильной колонны при любом способе бурения на гидромониторном долоте 8 подбором насадков 9 устанавливается необходимый перепад давления бурового раствора. Обеспечение необходимого перепада давления на долоте 8 осуществляется с поверхности земли. После спуска компоновки бурильной колонны в скважину и включения буровых насосов устанавливается подача буровых насосов, которая обеспечивала необходимый перепад давления на долоте на поверхности земли, при этом часть бурового раствора истекает через насадки 4 и 5 устройства для повышения герметичности и прочности проницаемых пород, оставшаяся часть бурового раствора - через насадки 9 на очистку долота и забоя.

Учитывая, что лопасти 2 и 3 устройства совмещены с лапами 11 долота 8, ограничивается поперечное смещение устройства при любой форме движения долота. Совмещение лопастей 2 и 3 устройства с лапами 11 гидромониторного долота 8 позволяет шарошкам 13 и лапам 11 гидромониторного долота 8 защитить лопасти 2 и 3 устройства от контакта со стенкой скважины, что предотвращает преждевременный износ лопастей 2 и 3, повысить работоспособность устройства в целом.

Так как лопасти 2 и 3 устройства защищены от контакта со стенкой скважины, расположение насадков 4 и 5 в лопастях 2 и 3 устройства позволяет исключить контакт торцев насадков 4 и 5 со стенкой скважины при любой форме движения долота на забое.

Выполнение пространства между лопастями 2 и 3 устройства, где смонтированы насадки 4 и 5, в форме отражателей 6 и 7 позволяет уменьшить рассеивание энергий гидроакустических волн, генерируемых пересекающимися струями.

Расположение точки пересечения осей насадков 4 на границе начального - в начале переходного участков струй, истекающих из насадков 4, вмонтированных в лопасти 2 непосредственно над долотом 8, позволяет максимально использовать низкочастотную составляющую колебаний, генерируемых пересекающимися струями, для создания каркаса из твердых частиц бурового раствора в скелете породы. Расположение точки пересечения осей насадков 5, установленных в лопастях 3, на расстоянии не более 4d_н позволяет максимально использовать высокочастотную составляющую колебаний, генерируемых пересекающимися струями, для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана в скелете породы. Кроме того, в зависимости от конкретных геологических условий проводки скважин регулировать амплитудно-частотные характеристики гидроакустических колебаний, генерируемых высокоскоростными струями бурового раствора, истекающими из насадков 4 и 5, возможно изменением диаметров и конфигурации насадков 4 и 5, а также установкой диафрагмы 12. Таким образом, расположение точек пересечения осей насадков 4 и 5 на определенном расстоянии от их торцев и в определенной последовательности от долота позволяет обеспечить двухстадийный процесс формирования низкопроницаемого (непроницаемого) экрана внутри скелета породы за один проход бурильной компоновки, что позволяет сократить затраты времени и более полно использовать гидравлическую мощность, подводимую к долоту 8.

Фиксация точек пересечения осей насадков 4 и 5 внутри окружностей, описанных около лопастей 2 и 3 на расстоянии l ≥ d_н/2sinα/2 , позволяет предотвратить эрозионное воздействие высокоскоростных струй бурового раствора на стенку скважины.

Установка заглушки 10 в промывочном канале гидромониторного долота 8 интенсифицирует поток жидкости со шламом от забоя в кольцевое пространство через свободное пространство между шарошками 13, что позволяет использовать шлам наряду с твердыми частицами бурового раствора для создания низкопроницаемого (непроницаемого) экрана в скелете породы.

Источники информации: 1. Ипполитов В.В. Разработка технологий и технических средств для гидродинамической кольматации пластов различной проницаемости. Автореф. диссертации на соиск. уч. ст. к.т.н., Уфа, 1992 г.

Формула изобретения

1. Устройство для сооружения скважин, содержащее корпус с центральным каналом, два ряда лопастей центратора, разнесенных по высоте на длину, равную диаметру долота, насадки, оси которых пересекаются под углом 90^o, гидромониторное долото, установленное под корпусом, отличающееся тем, что лопасти центратора совмещены с лапами долота, насадки расположены в плоскостях, перпендикулярных оси центрального канала, в лопастях центратора, точка пересечения осей насадков расположена на границе начального - в начале переходного участков струй, истекающих из насадков, вмонтированных в лопасти центратора непосредственно над долотом, точка пересечения осей насадков, установленных в верхнем ряду лопастей центратора, расположена на расстоянии не более 4 d_н от торцов насадков, где d_н - диаметр насадков, при этом обе точки пересечения осей насадков расположены не ближе l≥d_н/2 sinα/2 , где l - расстояние от точек пересечения осей насадков до окружностей, описанных около лопастей центратора, α - угол пересечения струй, а промывочный канал, расположенный в гидромониторном долоте напротив насадков, заглушен.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нижнем ряду использованы насадки, формирующие круглые струи большего диаметра, в верхнем ряду - насадки, формирующие круглые струи меньшего диаметра.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нижнем ряду использованы насадки, формирующие круглые струи, в верхнем ряду - насадки, формирующие плоские струи, вплоть до квадратных, эквивалентный диаметр которых равен диаметру насадков нижнего ряда.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нижнем ряду использованы насадки, формирующие круглые струи, в верхнем ряду - насадки, формирующие плоские струи, вплоть до квадратных, эквивалентный диаметр которых меньше диаметра насадков нижнего ряда.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между нижним и верхним рядами насадок установлено дросселирующее устройство типа диафрагмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3