устройство для бурения скважин

Формула изобретения

Устройство для бурения скважин, включающее центральную трубу, соединенную с обеих сторон с бурильными трубами, долото, гидроэлеваторы, один или более, установленный с возможностью относительного вращения цилиндрический корпус с отверстиями для пропуска инжектируемой жидкости в камеру смешения гидроэлеватора и уплотняющие пакеры, один или более, на наружной поверхности цилиндрического корпуса, отличающееся тем, что оно снабжено вспомогательной трубой с отверстиями для подачи жидкости к рабочим насадкам гидроэлеваторов, установленной с наружной стороны центральной трубы с зазором и соосно с ней и жестко связанной с помощью замкового переводника с центральной трубой, при этом гидроэлеваторы, один или более, неподвижные детали радиальных и осевых опор прикреплены к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, а их вращающиеся детали жестко связаны с вспомогательной трубой, замковый переводник имеет промывочные отверстия для сообщения с зазором между центральной и вспомогательной трубами, цилиндрический корпус размещен между стенкой скважины и вспомогательной трубой, а пакеры, один или более, выполнены самоуплотняющимися.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин и позволяет уменьшить давление в скважине при ее бурении и промывке и создавать при этом дополнительное осевое усилие на бурильную колонну, величина которого не зависит от ее веса.

Известны устройства для локального снижения давления с помощью гидроэлеваторов, в которых рабочая насадка сообщается с трубным пространством, а смесительная камера - с заколонным пространством скважины. Такие устройства применяют для совершенствования различных процессов: для организации, например, местной циркуляции жидкости с целью улучшения очистки забоя [1, 2, 3], повышения эффективности металлошламоуловителей [4, с.54] и снижения давления в керноприемных трубках для увеличения процента выноса керна [5, с.17, рис.5], повышения качества цементирования обсадных колонн [3, с.220] и др. Локальное снижение давления в этих устройствах не уменьшает давления в скважине, и потому они не пригодны для применения при бурении.

Известен способ создания депрессии на продуктивный, например нефтяной, пласт [7, с.112-124; с.135] с применением струйного насоса - гидроэлеватора, установленного в трубах. Жидкость к рабочей насадке подается по заколонному пространству, которое изолируется от пласта пакером, неподвижным по отношению к скважине. Откачка жидкости осуществляется по лифтовой колонне. Способ применим исключительно при добыче нефти и газа.

Известно устройство для снижения давления на забой при бурении, названное наддолотным гидроэлеватором [8], в котором поток промывочной жидкости, закачиваемой насосами в бурильные трубы, делится на два. Один из них направляется к рабочим насадкам гидроэлеваторов, расположенных в заколонном пространстве. Второй направляется к долоту и используется для очистки забоя. Пространство над забоем отделяется от пространства над диффузорами так называемым уплотнительным элементом в виде металлического диска, на наружной поверхности которого расположены твердосплавные штыри, обеспечивающие сохранение зазора между диском и стенкой скважины. Диффузоры гидроэлеваторов снабжены сквозными продольными пазами, сообщающимися с кольцевым пазом на наружной поверхности диска. Выше диска расположены жестко связанные с диском лопатки, которые, вращаясь вместе с долотом, должны обеспечить снижение давления на забое скважины, выполняя функцию лопаток центробежного насоса. Основная роль гидроэлеваторов сводится к отсасыванию утечек жидкости через зазор между диском и стенкой скважины для сохранения перепада давления в указанном зазоре.

Недостатки данного устройства:

- круглый металлический диск с твердосплавными вставками не может обеспечить герметизацию зазора, так как для обеспечения проходимости его по стволу, сформированному шарошечным долотом, диаметр диска по вставкам должен быть на 2...3 мм меньше номинального диаметра скважины, а по телу диска - еще на 2...3 мм; такой зазор не создает никакого сопротивления перетоку жидкости, и в результате устройство становится обычным средством создания местной циркуляции жидкости с постоянным перетоком жидкости через зазор в зону забоя скважины;

- гидроэлеваторы не предназначены для уменьшения давления на забой: для этого предназначены вращающиеся лопатки;

- в диффузорах происходит увеличение давления, поэтому через сквозные пазы в них будет не отсос жидкости из кругового паза, а ее нагнетание (откачка), что только увеличит утечку жидкости через зазор.

Из перечисленного следует, что устройство не может реализовать способ уменьшения давления на забой при бурении.

Известно устройство [9], состоящее из кольцевой насадки, в которую через отверстия в корпусе устройства поступает часть закачиваемой в трубы жидкости, и кольцевого диффузора, в который инжектируется другая часть потока, направляемая к долоту и восходящая по заколонному пространству.

Для изоляции наддиффузорного пространства от камеры смешения, в которой происходит инжектирование жидкости, предусмотрен пакер, уплотнительные элементы которого, вращающиеся вместе с корпусом, прижимаются к стенке скважины только центробежными силами.

Недостатки данного устройства:

- кольцевой гидроэлеватор отличается от традиционных осевых малыми зазорами как в насадке, так и в диффузоре; для условий бурения эти зазоры не превышают 1-5 мм, что приведет к закупорке и насадки, и диффузора при наличии в буровом растворе выбуренной породы;

- для создания центробежных сил прижатия уплотнительных элементов к стенке скважины, достаточной для герметизации пакера, нужны скорости вращения долота, измеряемые сотнями оборотов в минуту, что полностью исключает использование устройства в роторном бурении;

- уплотнительный элемент пакера вращается вместе с корпусом относительно скважины, что приводит к дополнительным силам трения и интенсивному износу поверхности уплотнителя (пакера);

- то, что устройство снабжено отверстиями в корпусе, ослабляет сечение корпуса и может стать причиной поломок корпуса вследствие концентрации напряжений.

Из перечисленного следует, что устройство не может реализовать способ уменьшения давления на забой при бурении.

Целью настоящего изобретения является уменьшение давления в скважине на заданную величину при бурении и промывке без уменьшения уровня жидкости и плотности буровой промывочной жидкости.

Положительными результатами такого уменьшения давления будут

- увеличение механической скорости бурения;

- уменьшение загрязнения продуктивных пластов при бурении;

- восстановление циркуляции жидкости при прохождении зон поглощения;

- вызов притока пластового флюида из проницаемого пласта и откачка его по заколонному пространству на поверхность без снижения уровня жидкости в скважине.

На чертеже показано устройство, с помощью которого достигается указанная выше цель.

Центральная труба 1 с помощью бурильного замка 2 и замкового переводника 3 с промывочными отверстиями 4 присоединена к бурильным трубам. К замковому переводнику 3 жестко прикреплена вспомогательная труба 5 таким образом, что между центральной и вспомогательной трубами образуется кольцевой зазор 6. В нижней части вспомогательная труба снабжена отверстиями 7, сообщающимися с круговой напорной камерой 8 рабочих насадок 9 с выходными отверстиями 10. С вспомогательной трубой жестко связаны вращающиеся детали осевой, например, резинометаллической опоры 11.

Между стенкой скважины 12 и вспомогательной трубой помещен с возможностью вращения относительно вспомогательной трубы цилиндрический корпус 13, на котором размещены связанные жестко с корпусом неподвижные детали осевой опоры 14 и радиальных опор 15, а также гидроэлеваторы, состоящие из рабочих насадок, смесительных камер 16 и диффузоров 17. Снаружи корпуса выше смесительных камер установлены один или более самоуплотняющихся пакеров 18. Поверхность скольжения между корпусом и вспомогательной трубой снабжена уплотнительными элементами 19. Для сообщения камеры смешения с заколонным пространством 20 корпус снабжен отверстиями 21.

Работа устройства происходит следующим образом.

Закачиваемая насосами буровая промывочная жидкость при входе в устройство распределяется, в соответствии с гидравлическими сопротивлениями в циркуляционной системе скважины и в подводящих каналах и насадках гидроэлеваторов, на два потока. Одна часть жидкости через отверстия 3, по зазору 6, через отверстия 7 попадает в камеру 8, а затем в насадки гидроэлеватора 10. Сформированная насадками струя устремляется в смесительные камеры 16, увлекая за собой другую часть потока, которая, пройдя долото и поднявшись по заколонному пространству до отверстий 21, попадает в смесительные камеру и инжектируется (увлекается) струями, истекающими из рабочих насадок. В горловинах камер 16, а затем в диффузорах 17 в результате превращения кинетической энергии потока в потенциальную происходит увеличение давления по мере уменьшения скорости движения жидкости в диффузорах, имеет место восстановление давления. Под действием давления, восстановленного диффузорами, которое всегда больше давления в смесительных камерах, упругие элементы самоуплотняющихся пакеров 18 прижимаются к стенке 12 скважины, изолируют (отсекают) надпакерное пространство 22 от смесительных камер. В результате давление в заколонном пространстве на уровне отверстий 21 оказывается меньше давления в заколонном пространстве 22 выше пакеров на величину, численно равную восстановленному диффузорами давлению. При прекращении закачки жидкости давление в скважине восстанавливается до исходного.

Избыточное давление, равное перепаду давления на диффузоре, прижимает упругие (эластичные) элементы пакеров к стенке скважины, в результате возникают силы трения, препятствующие вращению корпуса относительно скважины. С другой стороны, то же давление вызывает направленные вдоль оси бурильных труб и направленные в сторону долота гидравлические силы, действующие тоже на корпус. Для исключения вращения корпуса относительно скважины при вращении бурильной колонны корпус и его элементы установлены на вспомогательной трубе с возможностью относительного вращения. Гидравлическая сила воспринимается при этом осевой опорой, например, резинометаллической, а радиальные усилия - радиальными опорами.

Поверхности скольжения деталей гидроэлеватора находятся под перепадом давления, поэтому они снабжены уплотнительными элементами, исключающими прорыв жидкости из заколонного и надпакерного пространств в смесительные камеры.

В наклонно направленных и горизонтальных скважинах возникающая на устройстве гидравлическая сила может быть использована для преодоления сил сопротивления движению колонны со стороны стенок скважины. При установке предлагаемого устройства в непосредственной близости от долота, например в горизонтальном стволе, указанная сила будет "тянуть" бурильную колонну по стволу, обеспечит создание нагрузки на долото, что позволит отказаться полностью или частично от применения утяжеленных труб.

Пример реализации предлагаемого способа.

В скважине, пробуренной долотом 215,9 мм до глубины, например, 2000 м, размещена бурильная колонна, составленная из труб типа ТБПК диаметром 127 мм с толщиной стенки 9,2 мм так, что долото находится на забое, то есть на глубине 2000 м.

Для упрощения гидравлических расчетов примем, что скважина заполнена водой. В этом случае режим движения жидкости в трубах и заколонном пространстве будет автомодельным по отношению к критерию Рейнольдса, и потери давления можно определять по формуле Дарси-Вейсбаха при постоянном значении коэффициента гидравлических сопротивлений .

Допустим, что предлагаемое устройство расположено на глубине 300 м. Примем, что буровые насосы под давлением 15 МПа закачивают в бурильные трубы 40 дм³/с промывочной жидкости - воды, - из которых 20 дм³/с проходят рабочие насадки гидроэлеватора и превращаются в высокоскоростные струи, а остальные 20 дм³/с направляются к долоту для очистки забоя и скважины на участке 2000...300 м.

На глубине 300 м избыточное давление будет равно 15 МПа за вычетом потерь давления в трубах на участке 0...300 м, которые при расходе 40 дм³/с, как показывают расчеты, равны 1,13 МПа. Это означает, что перепад давления на насадке гидроэлеватора равен 13,87 МПа. Чтобы реализовать такой перепад давления, необходимо установить в гидроэлеваторах насадки определенного диаметра d_н. Искомый диаметр найдем по формуле [10, с.103, формула (3.4.5)].

где Q - расход бурового раствора, м³/с;

- плотность бурового раствора, кг/м³;

р _д - перепад давления на долоте, Па;

d_n - диаметр подводящего канала долота (равный, как правило, входному диаметру насадок), м;

z - количество используемых насадок.

При расходе через насадки гидроэлеватора Q=0,02 м ³/с, p_д=13,87 МПа, =1000 кг/м³, z=2, d_n=0,024 м расчетное значение d_н=8,7 мм. Если использовать устройство из трех элеваторов, то d_н=7,1 мм.

Для обеспечения расхода через долотные насадки Q=0,02 м³/с нужно найти потребный перепад давления на долоте, обеспечивающий запланированное распределение потока по схеме 0,04 м³/с=0,02 м³/с + 0,02 м³/с.

Общие гидравлические потери давления в трубах на участке 300...2000 м и в заколонном пространстве на участке 2000...300 м при Q=0,02 м³/с составляют 1,45 МПа. Тогда перепад давления на долоте будет равен 13,87-1,45-12,42 МПа.

В рабочем режиме, когда в смесительной камере и в заколонном пространстве на уровне 300 м давления нет (вакуум), гидростатическое давление столба жидкости высотой 300 м становится активным ввиду неуравновешанности со стороны заколонного пространства давлением. Поэтому искомый перепад давление на долоте будет равен

12,42+1000·9,81·300/10⁶=15,36 МПа.

При использовании трех насадок в долоте для обеспечения такого перепада необходима установка насадок диаметром 7,06 мм, а при применении двух насадок - 8,65 мм.

Для создания нулевого избыточного давления в смесительной камере необходимо, чтобы расход инжектируемого потока, обеспеченный, прежде всего, соотношением диаметров насадок и смесительной камеры, был несколько больше фактического расхода 0,02 м³/с. Иначе говоря, коэффициент инжекции (отношение расходов инжектируемого и рабочего потоков) в нашем случае должен быть несколько больше 1, а давление после диффузора должно быть больше давления, необходимого для движения жидкости с расходом 0,04 м³/с в заколонном пространстве на участке 300...0 м:

0,1+1000·9,81·300/10 ⁶=3,04 МПа.

Из работ [1, 7] следует, что при коэффициенте инжекции, равном 1, как в обсуждаемом примере, в гидроэлеваторах с высоким к.п.д. восстановленное в диффузоре давление составляет 0,3...0,35 от перепада давления на рабочей насадке, которое, с учетом неуравновешенного гидростатического давления, составляет 13,87+2,94=15,7 МПа. Следовательно, давление над пакером составит не менее 0,3·15,7=4,7 МПа, что больше необходимых 3,04 МПа. Давление в скважине ниже пакеров уменьшится на величину 3,04 МПа. Из расчета следует, что при предложенном варианте применения устройства достигается цель предложенного способа: уменьшение давления в скважине при ее промывке.

При перепаде давления на пакерах, равного 3,04 МПа, гидравлическая сила, действующая на бурильную колонну, будет равна произведению давления на площадь заколонного пространства и составит при диаметре долота 215,9 мм около 80 кН (8 тc), что способно перемещать по горизонтальному стволу колонну весом 350...400 кН (35...40 тc).

Источники информации

1. А.с. №866122, кл. Е 21, В 21/00. Устройство для бурения скважин. (авторы: Соломенников С.В., Калинин А.Г., Алексеев П.Д. и др.) Опубликовано 23.09.81. - Бюлл. №35.

2. Патент Франции №1567862, кл. Е 21 в 41/00, опубл. 1969.

3. Патент США №4022285, кл. 175-65, опубл. 1977.

4. Кемп Г. Ловильные работы в нефтяных скважинах. - М.: Недра, 1990.

5. Методическое руководство по бурению с отбором керна нефтяных и газовых скважин. РД 39-2-399-80. - М.: ВНИИБТ, 1982.

6. Булатов А.И. Технология цементирования нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 1983.

7. Яремийчук Р.С., Качмар Ю.Д. Вскрытие продуктивных горизонтов и освоение скважин. - Львов, "Вища школа", 1982.

8. А.с. №1276799, кл. Е 21 В 21/00. Наддолотный гидроэлеватор (авторы: Спивак А.И., Скворцов Ю.П., Сыромятников А.Н. и др.). Опубл. 15.12.86. Бюл.№46.

9. А.с. №1585493, кл. Е 21 В 21/00. Наддолотный гидроэлеватор (авторы: Сыромятников А.Н. и Беляев А.И.). Опубл. 15.08.90. Бюл. №30.

10. Осипов П.Ф., Скрябин Г.Ф. Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами. - Ярославль: Медиум-пресс, 2001.