устройство для кольматации стенок скважины буровым раствором

Формула изобретения

Устройство для кольматации стенок скважины буровым раствором, включающее трубчатый корпус с радиальным сливным насадком и завихритель, размещенный в корпусе, отличающееся тем, что оно снабжено коаксиально расположенным внутри корпуса патрубком с щелевидными отверстиями, завихритель размещен над патрубком и выполнен в виде сменной втулки, кольцевой направляющей со сквозными отверстиями и фиксирующего кольца для удержания кольцевой направляющей от перемещения, причем сменная втулка имеет струезакручивающие отражатели по своей внутренней образующей и выполнена из твердосплавного материала, а сквозные отверстия кольцевой направляющей оборудованы дросселирующими насадками, тангенциально направленными в сторону внутренней образующей сменной втулки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для нанесения на стенки скважины технологических составов, например буровых растворов, содержащих твердую фазу.

Использование кольмататора при бурении пористых и трещиноватых пород обеспечивает механическое и гидравлическое воздействие на проницаемые стенки ствола скважины при поглощениях бурового раствора, прихватах бурильного инструмента с целью предупреждения осложнений. Бурение с использованием кольмататора предпочтительно осуществлять с промывкой буровым раствором, содержащим наполнитель, который обеспечивает создание более прочного кольматационного слоя.

Известно устройство для снижения проницаемости пластов с помощью переводника с боковой гидромониторной насадкой, устанавливаемое над долотом (СССР а. с. 819306, кл. Е 21 В 33/138, 1979). Глинистый раствор во время бурения под давлением через насадку наносятся на стенки вскрываемого пласта, обеспечивая проникновение глинистых частиц до 12-25 мм.

Известно также устройство для кольматации стенок скважины, состоящее из переводника с боковой гидромониторной насадкой, устанавливаемое над долотом (СССР а.с. 1670090, кл. Е 21 В 21/00, 1988). На наружной поверхности переводника имеется паз и выступ, расположенные по обе стороны от насадки. По мнению авторов, они обеспечивают локальное повышение гидродинамического давления на стенку кольматируемой скважины.

Однако наличие твердой фазы в буровом растворе, необходимой для обеспечения кольматирующего эффекта, сопровождается увеличением его плотности, что в конечном итоге влияет в обеих разработках на уменьшение проходки на долото, то есть снижается производительность работы долота, увеличивается его износ.

Кроме того, при асимметричном положении инструмента и наличии каверн глубина проникновения глинистых частиц в пласт будет снижаться.

Известен забойный сепаратор, который используется с долотами разных типоразмеров в широком диапазоне плотностей бурового раствора (Н.А. Колесников. Процессы разрушения горных пород и пути ускорения бурения. ОИ, серия "Бурение", вып. 5 (88). - М.: ВНИИОЭНГ, 1985, с.31-35). Сепаратор состоит из корпуса с тангенциальным входом (завихрителем) цангового пескового штуцера и цангового силового патрубка. На концах корпуса нарезана резьба для соединения с бурильными трубами и с долотом.

Буровой раствор, поступая в корпус сепаратора, в завихрителе приобретает вращательное движение, а под действием центробежных сил в сепараторе происходит разделение бурового раствора на пульпу и осветленную жидкость. Пульпа через песковый штуцер выводится через затрубное пространство на поверхность, где очищается от шлама и снова закачивается в скважину, а осветленная фракция через сливной патрубок поступает в насадки долота.

Это устройство предназначено для увеличения показателей работы долот, а чтобы не создавать дополнительные напряжения в скелете породы, твердую фазу выводят в блок очистки бурового раствора.

Это устройство не может создавать повышенные гидродинамические давления, которые, используя накопление пульпы за колонной, обеспечивают ей кольматирующие свойства в зонах поглощения бурового раствора.

Известно также устройство для изоляции зон поглощения цементным раствором, состоящее из трубчатого корпуса, отражателей в виде спирально-лопастных калибрующих элементов на его боковой поверхности, боковых окон, нижнего обратного клапана и цилиндрической вставки со спиральными каналами на наружной боковой поверхности (СССР а.с. 1458554, кл. Е 21 В 33/132, 1986).

Цементный раствор, проходя через спиральные струезакручивающие каналы, поступает в пласт под избыточным давлением. Лопасти калибрующих элементов очищают стенки скважины от фильтрационной корки, а спирально закрученные диски на трубчатом корпусе препятствуют тампонажной смеси подниматься по кольцевому пространству.

Недостаток устройства заключается в том, что оно не может быть использовано при работе с буровым раствором, содержащим твердую фазу. Кольматирующий эффект создается за счет проникновения цементного раствора в пласт. Для этого необходимы дополнительные спускоподъемные операции.

В качестве прототипа выбрано известное устройство для кольматации стенок скважины буровым раствором, включающее трубчатый корпус с радиальным сливным насадком и завихритель, размещенный в корпусе (см.а.с. СССР 1439215, E 21 B 37/02, опубл.1988).

Недостатком этого устройства является слабая сепарация и низкое кольматирующее воздействие бурового раствора.

Задачей изобретения является усиление кольматирующего действия устройства за счет увеличения сепарационного эффекта твердой фазы бурового раствора и повышение его долговечности.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается новая конструкция завихрителя, который состоит из сменной втулки, кольцевой направляющей со сквозными отверстиями и фиксирующего кольца, удерживающего кольцевую направляющую от перемещения, причем сменная втулка имеет струезакручивающие отражатели по внутренней образующей и выполнена из твердосплавного материала, сквозные отверстия кольцевой направляющей снабжены дросселирующими насадками, тангенциально направленными в сторону внутренней образующей сменной втулки, а отверстия коаксиального патрубка выполнены щелевидными.

Выполнение завихрителя составным из трех деталей влияет на долговечность устройства, так как обеспечивает замену любой из них, вышедшей из строя, на новую. Особенно часто подлежит износу сменная втулка со струезакручивающими отражателями по внутренней образующей, так как основная гидромониторная струя из кольцевой направляющей через дросселирующий насадок попадает на эту втулку, а наличие абразирующего наполнителя в буровом растворе будет способствовать ее истиранию. Кроме того, наличие струезакручивающих отражателей дополнительно упрочняет втулку и увеличивает сепарационный эффект устройства, а оснащение их уплотнителями повышает степень защищенности корпуса завихрителя от разрушения.

Наличие кольцевой направляющей со сквозными отверстиями, снабженными дросселирующими насадками, обеспечивает создание гидромониторной струи со скоростью около 120 м/с, поступающей в корпус устройства, которому передается вращение от трубобура или ротора.

Размещение кольмататора над долотом обеспечивает усиление кольматирующего действия устройства за счет увеличения сепарационного эффекта твердой фазы бурового раствора непосредственно над долотом в процессе бурения скважины без дополнительных затрат.

Сепарационное отделение твердой фазы и использование осветленной жидкости, поступающей на долото, увеличивает механическую скорость проходки не менее чем на 10%, а гидромониторная обработка проницаемых пластов в процессе вскрытия их бурением позволяет эффективно снижать проницаемость пласта путем кольматирующего действия устройства.

На фиг.1 изображен общий вид устройства; на фиг.2 - разрез по линии А-А кольцевой направляющей; на фиг. 3 - разрез по линии Б-Б сменной втулки со струезакручивающими отражателями.

Устройство состоит из трубчатого корпуса 1 с радиальными сливными насадками 2 в нижней части корпуса, коаксиально расположенного внутри корпуса патрубка 3 с щелевидными отверстиями 4, завихрителя, состоящего из трех составных деталей, сменной втулки из твердосплавного материала 5 со струезакручивающими отражателями 6, расположенными на внутренней ее образующей, кольцевой направляющей 7 с дросселирующими насадками 8 и каналами 9, тангенциально направленными на внутреннюю образующую сменной втулки 5 и соединенной с ней через уплотнение 10, а также фиксирующего кольца 11.

Устройство для кольматации стенок скважины входит в компоновку низа бурильной колонны и устанавливается непосредственно над долотом или расширителем скважины, если последний входит в компоновку низа колонны.

Используется как при роторном, так и при турбинном способе бурения.

Устройство работает следующим образом.

Буровой раствор, несущий твердую фазу, поступает на завихритель и, проходя через тангенциально направленные насадки 8 и струезакручивающие отражатели 6 сменной втулки 5, приобретает интенсивное вращательное движение. За счет центробежных сил происходит перераспределение твердой фазы в потоке бурового раствора: на внутренней образующей корпуса 1 концентрируется большая часть твердых частиц бурового раствора, а в середине потока образуется осветленный раствор. Дойдя до нижнего бокового отверстия 2, твердая часть пульпы поступает из него в заколонное пространство, а остальная осветленная часть раствора, поступает на долото. Твердая часть пульпы оседает в кольцевом пространстве между корпусом 1 и патрубком 3, отжимая осветленную часть в полость патрубка через щелевидные отверстия 4.

В связи с уменьшением содержания твердой фазы в растворе резко снижается его структурная вязкость, увеличивается фильтрация, улучшается очистка забоя от выбуренной породы, а в результате увеличивается механическая скорость бурения и проходка на долото. Скоростной напор струи пульпы, вытесняемый из бокового отверстия, взаимодействует со стенкой скважины и упрочняет ее, причем избыточное содержание твердой фазы значительно повышает эффект кольматации. Кроме того, использование крупных фракций твердой фазы в операции кольмации стенки скважины на забое обеспечивает увеличение степени очистки бурового раствора на поверхности и более стабильные показатели его технических характеристик.

Применение устройства для кольмации стенок скважины не требует специального применения режимов бурения, типов и показателей свойств буровых растворов, дополнительного технического и технологического оборудования, а выполнение узла завихрения составным обеспечивает защиту корпуса от преждевременного разрушения рызмывом струей абразивной жидкости.

Выполнение сменной втулки из твердосплавного материала обеспечивает долговечность работы устройства, а в случае ее износа легко заменить на новую, сохраняя работоспособность всего устройства.