устройство для вибровоздействия на колонну труб в скважине (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для вибровоздействия на колонну труб в скважине, включающее колонну труб, заполненную рабочей жидкостью, и механизм вибровоздействия на колонну труб, отличающееся тем, что механизм вибровоздействия на колонну труб выполнен в виде элемента с положительной плавучестью в рабочей жидкости, перекрывающего 0,85-0,98 площади проходного сечения колонны труб, и неограниченными степенями свободы в потоке рабочей жидкости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент с положительной плавучестью выполнен в виде полого шара с жесткой оболочкой, заполненной газом.

3. Устройство для вибровоздействия на колонну труб в скважине, включающее колонну труб, заполненную рабочей жидкостью, и механизм вибровоздействия на колонну труб, отличающееся тем, что механизм вибровоздействия на колонну труб выполнен в виде шара, перекрывающего 0,85-0,98 площади проходного сечения колонны труб, и опоры для шара, выполненной в виде поперечной балки или крестовины, жестко соединенной с винтовой цилиндрической пружиной, которая расположена под шаром на скользящей посадке внутри трубы, при этом жесткость пружины выбрана из расчета осевой нагрузки от веса шара и напора потока при базовом расходе рабочей жидкости, при котором скорость транспортирования механизма вибровоздействия вниз равна нулю.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства скважин и предназначено для возбуждения колебаний в колонне труб с целью снижения сил трения при движении в скважине, освобождения от прихватов, а также вибровоздействия на жидкие среды, заполняющие скважину.

Известен способ возбуждения упругих колебаний в скважине и устройство для его осуществления [1]. Суть его состоит в том, что в колонну труб в скважине помещают подвижный элемент в виде шара, который при прокачке жидкости совершает поперечные колебания и за счет ударов о стенки труб передает их колонне. От продольного перемещения шар удерживает опора, жестко закрепленная в определенном месте внутри колонны.

Этот способ и устройство принято нами как аналог заявляемому. К общим недостаткам аналога можно отнести следующие:

1) действие устройства локализовано в определенном сечении колонны из-за наличия ограничителя осевого перемещения;

2) опора (ограничитель осевого перемещения), выполненная в виде решетки, создает дополнительные гидросопротивления и завихрения потока: первое требует излишних затрат гидравлической мощности, второе - нарушает устойчивую работу ударника.

Известно устройство для цементирования обсадных колонн в скважинах [2], которое содержит колонну труб со стоп-кольцом на башмаке, и продавочную пробку с установленным на ней механизмом возбуждения колебаний на колонну труб в скважине. Оно снабжено подъемным поплавком, закрепленным на механизме возбуждения колебаний, а последний установлен с возможностью отделения от пробки в момент посадки ее на стоп - кольцо. Механизм возбуждения колебаний состоит из автономного источника питания, блока включения и поплавка.

Устройство работает следующим образом. После закачки в обсадную колонну расчетного объема цементного раствора туда опускают продавочную пробку с механизмом возбуждения колебаний, источником питания, блоком включения и поплавком. Блок включения обеспечивает при необходимости запуск механизма возбуждения колебаний после подъема цементного раствора в затрубном пространстве до заданной отметки, например, когда уровень цементного раствора и глубина нахождения механизма совпадут в затрубном пространстве. Во время движения устройства внутри колонны вниз до стоп - кольца и вверх до устья скважины механизм возбуждает в обсадной колонне упругие колебания, которые передаются в затрубное пространство скважины и воздействуют на цементный раствор, находящийся там.

Это устройство и реализуемый с его помощью способ возбуждения колебаний в колонне труб наиболее близки по техническому исполнению к заявляемому объекту и потому принято нами за прототип.

К основным недостаткам прототипа следует отнести:

1) сложность конструкции вибровозбудителя и необходимость иметь автономный источник энергопитания;

2) узкая специализация - для вибровоздействия при цементировании обсадных колонн с посадочной пробкой и обратным клапаном;

3) отсутствует возможность управлять интенсивностью колебаний, т.к. она задается исполнительным механизмом и автономным источником питания;

4) вибровоздействие можно осуществлять только один раз, начиная с момента отрыва вибровозбудителя от продавочной пробки, и только в одном направлении - от забоя к устью скважины.

Один вариант устройства для вибровоздействия на колонну труб в скважине включает колонну труб, заполненную рабочей жидкостью, и механизм вибровоздействия на колонну, который выполнен в виде элемента с положительной плавучестью в рабочей жидкости, перекрывающего 0.85-0.98 площади проходного сечения колонны, и неограниченными степенями свободы в потоке рабочей жидкости. При этом механизм вибровоздействия может быть выполнен в виде полого шара с жесткой оболочкой, заполненной газом.

Другой вариант устройства для вибровоздействия на колонну труб в скважине включает колонну труб, заполненную рабочей жидкостью, и механизм вибровоздействия на колонну труб, который выполнен виде шара, перекрывающего 0.85-0.98 площади проходного сечения колонны труб, и опоры для шара, выполненной в виде поперечной балки или крестовины, жестко соединенной с винтовой цилиндрической пружиной, которая расположена под шаром на скользящей посадке внутри трубы, при этом жесткость пружины выбрана из расчета осевой нагрузки от веса шара и напора потока при базовом расходе рабочей жидкости, при котором скорость транспортирования механизма вибровоздействия равна нулю.

На фиг.1 показан первый вариант устройства, продольный разрез; на фиг.2 - второй вариант, продольный разрез; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2.

Устройство (фиг.1) включает колонну труб 1, заполненную рабочей жидкостью 2, например водой, внутри которой помещен полый шар 3 с жесткой оболочкой, изготовленной из титана, заполненный газом, например воздухом.

Толщину стенок полого шара для условия его плавучести можно определить по формуле

где _ж - плотность рабочей жидкости,

_м - плотность металла оболочки шара,

R_ш - радиус шара.

Силу напора рабочей жидкости на шар в потоке можно определить из выражения

где - скорость потока жидкости в трубе,

R_т - внутренний радиус трубы.

При этой силе напора полый шар в потоке будет удерживаться на месте и совершать поперечные колебания, которые за счет ударов о стенки трубы будут передаваться колонне. В зависимости от степени перекрытия проходного сечения трубы частота и сила ударов будут различными. При увеличении скорости потока шар, совершая колебания, будет перемещаться вниз, при уменьшении скорости потока - вверх, навстречу потоку.

Как показали стендовые исследования, полый шар совершает регулярные радиальные колебания в трубе, а плоскость колебаний вращается.

Второй вариант устройства для вибровоздействия на колонну труб в скважине представлен на фиг.2 в разрезе. Устройство включает колонну труб 1, заполненную рабочей жидкостью 2, внутри которой помещен шар 3, изготовленный, например, из металла. Под шаром располагается опора для шара 4, выполненная, например, в форме крестовины и жестко сочлененная с винтовой цилиндрической пружиной 5.

При прокачке жидкости к забою в направлении, показанном тремя стрелками, когда скорость натекающего потока рабочей жидкости превышает базовую, пружина 5 тормозится, за счет трения витков о стенки трубы, сжимается и расширяется, удерживая шар в заданном сечении колонны труб. При этом шар, обтекаемый потоком, совершает поперечные колебания и за счет ударов возбуждает вибрации трубы. Для перемещения механизма в другое место, вниз по потоку, скорость прокачки снижают ниже базовой, в результате чего пружина освобождается и ударник, продолжая работать, передвигается по направлению к забою скважины. Для обратного перемещения ударного механизма, вверх к устью скважины, меняют направление потока рабочей жидкости (как показано стрелкой).

Устройства, показанные на фиг.1 и 2, реализуются в колоннах труб с равнопроходным внутренним каналом, например, в бурильных колоннах с высаженными наружу концами, в колоннах насосно-компрессорных труб, в обсадных колоннах, наматываемых на барабан (типа "колтюбинг") и т.п.

Пример практического использования предлагаемого способа и устройств для его осуществления.

Устройство (фиг.1) или (фиг.2) предварительно тестируется на определение базовой производительности насосов, при которой тот или другой вибровозбудитель поперечных колебаний труб удерживается на месте. Затем определяется зависимость скорости транспортирования его от расхода прокачиваемой рабочей жидкости (ниже или выше базовой) для данного типоразмера колонны труб. После этого устройство помещают в колонну труб, спущенную в скважину и заполненную рабочей жидкостью (вода, нефть, буровой раствор, цементный раствор, продавочная жидкость и др.) и производят прокачку жидкости по заданной программе. При завершении работы в скважине механизм вибровоздействия удаляют из колонны труб либо путем его всплывания, либо за счет обратной циркуляции жидкости, либо вместе с колонной труб.

Основные преимущества данного устройств для вибровоздействия на колонну труб в скважине по сравнению со стационарно установленным источником колебаний.

1. В случаях прихвата колонны труб, например прилипания их к стенкам скважины, можно подвести вибратор к месту прихвата и таким образом добиться быстрого освобождения прихваченных труб.

2. Возможность осуществлять многократное и целенаправленное вибровоздействие на колонну труб в скважине по всей ее длине, что, например, важно для снижения трения и улучшения очистки скважины сложного профиля, особенно горизонтальных участков.

3. Простота и легкость управления механизмом вибровоздействия путем изменения подачи насосов.

4. Возможность регулирования интенсивности вибровоздействия за счет изменения диаметра шарового ударника и производительности прокачки рабочей жидкости.

5. Возможность применения сразу нескольких устройств для поддержания вибраций по всей длине колонны труб, например, для снижения трения в горизонтальных скважинах.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №953183 с приоритетом от 16.09.80 г., кл. Е 21 В 23/00, Б.И. №31, 1982 г.

2. Авторское свидетельство СССР №1051233 с приоритетом от 30.07.82 г., кл. Е 21 В 33/14, Б.И. №40, 1983 г.