устройство для очистки и кольматации ствола скважины (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для очистки и кольматации ствола скважины, включающее полый корпус с установленным в выполненном в нем радиальном отверстии вихревым патрубком с камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления полого корпуса одним или несколькими тангенциальными каналами, отличающееся тем, что снабжено образованными снаружи полого корпуса предохранительными коркосъемными ребрами, в которых выполнено радиальное отверстие с размещенным в нем вихревым патрубком.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на предохранительных коркосъемных ребрах размещены калибрующие или/и центрирующие элементы, при этом расстояние h между ними и заглубленным относительно их в предохранительных коркосъемных ребрах вихревым патрубком и диаметр d камеры завихрения определяются из соотношений

,

,

где S - суммарная площадь проходных сечений тангенциальных каналов вихревого патрубка.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что на торце вихревого патрубка выполнены одна или несколько прорезей, радиально направленных от камеры завихрения и ориентированных в направлении возможного вращения полого корпуса.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поверхность камеры завихрения вихревого патрубка сформирована в виде параболоида с фокусом, расположенным в закорпусном пространстве между вихревым патрубком и цилиндрической поверхностью, образованной калибрующими или/и центрирующими элементами коркосъемных предохранительных ребер.

5. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что вихревой патрубок выполнен глухим с возможностью осевого перемещения в радиальном отверстии.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что вихревой патрубок выполнен в виде дифференциального поршня, в котором диаметр со стороны глухой части меньше диаметра со стороны выхода камеры завихрения в закорпусное пространство.

7. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что снабжено установленным в нижней части полого корпуса коаксиально ему дополнительным вихревым патрубком, размещенным глухой частью в полости повышенного давления, и камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления одним или несколькими тангенциальными каналами.

8. Устройство для очистки и кольматации ствола скважины, включающее полый корпус с установленным в выполненном в нем радиальном отверстии вихревым патрубком с камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления полого корпуса одним или несколькими тангенциальными каналами, отличающееся тем, что снабжено образованными снаружи полого корпуса предохранительными коркосъемными ребрами, в которых выполнено радиальное отверстие с размещенным в нем вихревым патрубком, и установленным над вихревым патрубком сепаратором, разделяющим полость повышенного давления полого корпуса на полуполости повышенного и избыточного давления, соединенные между собой периферийными спиральными каналами.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что вихревой патрубок выполнен с возможностью поворота в радиальном отверстии.

10. Устройство по пп.8 или 9, отличающееся тем, что на предохранительных коркосъемных ребрах размещены калибрующие или центрирующие элементы, при этом расстояние h между ними и заглубленным относительно их в предохранительных коркосъемных ребрах вихревым патрубком и диаметр d камеры завихрения определяются из соотношений

,

.

11. Устройство по любому из пп.8 или 9, отличающееся тем, что на торце вихревого патрубка выполнены одна или несколько прорезей, радиально направленных от камеры завихрения и ориентированных в направлении возможного вращения полого корпуса.

12. Устройство по любому из пп.8 или 9, отличающееся тем, что вихревой патрубок выполнен глухим с возможностью осевого перемещения в радиальном отверстии.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что вихревой патрубок выполнен в виде дифференциального поршня, в котором диаметр со стороны глухой части меньше диаметра со стороны выхода камеры завихрения в закорпусное пространство.

14. Устройство по любому из пп.8 или 9, отличающееся тем, что поверхность камеры завихрения вихревого патрубка сформирована в виде параболоида с фокусом, расположенным в закорпусном пространстве между вихревым патрубком и цилиндрической поверхностью, образованной калибрующими или/и центрирующими элементами коркосъемных предохранительных ребер.

15. Устройство по любому из пп.8 или 9, отличающееся тем, что снабжено установленным в нижней части полого корпуса коаксиально ему дополнительным вихревым патрубком, размещенным глухой частью в полости повышенного давления, и камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления одним или несколькими тангенциальными каналами.

16. Устройство для очистки и кольматации ствола скважины, включающее полый корпус с установленным в выполненном в нем радиальном отверстии вихревым патрубком с камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления полого корпуса одним или несколькими тангенциальными каналами, отличающееся тем, что снабжено образованными снаружи полого корпуса предохранительными коркосъемными ребрами, в которых выполнены на разных уровнях по высоте полого корпуса несколько радиальных отверстий с размещенным в них каскадом вихревых патрубков.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что на предохранительных коркосъемных ребрах размещены калибрующие или центрирующие элементы, при этом расстояние h между ними и заглубленным относительно их в предохранительных коркосъемных ребрах вихревыми патрубками и диаметр d камеры завихрения определяются из соотношений

,

.

18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что на торцах вихревых патрубков выполнены одна или несколько прорезей, радиально направленных от камеры завихрения и ориентированных в направлении возможного вращения полого корпуса.

19. Устройство по любому из п.16 или 17, отличающееся тем, что вихревые патрубки выполнены глухими с возможностью осевого перемещения в радиальном отверстии.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что вихревые патрубки выполнены в виде дифференциальных поршней, у которых диаметры со стороны глухой части меньше диаметров со стороны выхода камер завихрения в закорпусное пространство.

21. Устройство по любому из п.16 или 17, отличающееся тем, что поверхности камер завихрения вихревых патрубков сформированы в виде параболоидов с фокусами, расположенными в закорпусном пространстве между вихревыми патрубками и цилиндрической поверхностью, образованной калибрующими или центрирующими элементами коркосъемных предохранительных ребер.

22. Устройство по любому из п.16 или 17, отличающееся тем, что снабжено установленным в нижней части полого корпуса коаксиально ему дополнительным вихревым патрубком, размещенным глухой частью в полости повышенного давления, и камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство, и связанной с полостью повышенного давления одним или несколькими тангенциальными каналами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к устройствам для изоляции проницаемых пластов и подготовки стволов скважин к цементированию.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для очистки и кольматации ствола скважины, включающее полый корпус с установленным в выполненном в нем радиальном отверстии вихревым патрубком с камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления полого корпуса одним или несколькими тангенциальными каналами [1].

К недостаткам известного устройства, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при его применении, относится то, что затруднено удаление со стенки ствола скважин препятствующей созданию непроницаемого слоя кольматации, особенно в рыхловатой породе стенки ствола, прочной и толстой фильтрационной корки только за счет размыва с помощью веерообразного потока содержащей кольматант промывочной жидкости, вытекающей из камеры завихрения вихревого патрубка; незащищенность выступающего в закорпусное пространство из полого корпуса торца вихревого патрубка от ударов при спуске и подъеме бурильной компоновки, истирания о породу ствола в процессе вращательного бурения ствола скважины.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности изоляции проницаемых пластов в процессе их вскрытия бурением и повышение качества цементирования скважин.

Технический результат осуществления изобретения заключается в повышении эффективности, надежности и долговечности работы устройства.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения по первому варианту достигается тем, что в данном устройстве, включающем полый корпус с установленным в выполненном в нем радиальном отверстии вихревым патрубком с камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления полого корпуса одним или несколькими тангенциальными каналами, особенностью изобретения является то, что снабжено образованными снаружи полого корпуса предохранительными коркосъемными ребрами, в которых выполнено радиальное отверстие с размещенным в нем вихревым патрубком.

Кроме того, особенность изобретения состоит в том, что на предохранительных коркосъемных ребрах размещены калибрующие или/и центрирующие элементы, при этом расстояние между ними и заглубленным относительно их в предохранительных коркосъемных ребрах вихревым патрубком и диаметр камеры завихрения определяются из соотношений

,

,

где S - суммарная площадь проходных сечений тангенциальных каналов вихревого патрубка.

Кроме того, особенность изобретения заключается в том, что на торце вихревого патрубка выполнены одна или несколько прорезей, радиально направленных от камеры завихрения и ориентированных в направлении возможного вращения полого корпуса.

Кроме того, особенностью изобретения является то, что поверхность камеры завихрения вихревого патрубка сформирована в виде параболоида с фокусом, расположенным в закорпусном пространстве между вихревым патрубком и цилиндрической поверхностью, образованной калибрующими или/и центрирующими элементами коркосъемных предохранительных ребер.

Кроме того, особенность изобретения состоит в том, что вихревой патрубок выполнен глухим с возможностью осевого перемещения в радиальном отверстии.

Кроме того, особенностью изобретения является то, что вихревой патрубок выполнен в виде дифференциального поршня, в котором диаметр со стороны глухой части меньше диаметра со стороны выхода камеры завихрения в закорпусное пространство.

Кроме того, особенность изобретения заключается в том, что снабжено установленным в нижней части полого корпуса коаксиально ему дополнительным вихревым патрубком, размещенным глухой частью в полости повышенного давления, и камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления одним или несколькими тангенциальными каналами.

Технический результат при осуществлении изобретения по второму варианту достигается тем, что в данном устройстве, включающем полый корпус с установленным в выполненном в нем радиальном отверстии вихревым патрубком с камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления полого корпуса одним или несколькими тангенциальными каналами, особенностью изобретения является то, что снабжено образованными снаружи полого корпуса предохранительными коркосъемными ребрами, в которых выполнено радиальное отверстие с размещенным в нем вихревым патрубком, и установленным над вихревым патрубком сепаратором, разделяющим полость повышенного давления полого корпуса на полуполости повышенного и избыточного давления, соединенные между собой периферийными спиральными каналами.

Кроме того, особенность изобретения состоит в том, что вихревой патрубок выполнен с возможностью поворота в радиальном отверстии.

Технический результат при осуществлении изобретения по третьему варианту достигается тем, что в данном устройстве, включающем полый корпус с установленным в выполненном в нем радиальном отверстии вихревым патрубком с камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления полого корпуса одним или несколькими тангенциальными каналами, особенностью изобретения является то, что снабжено образованными снаружи полого корпуса предохранительными коркосъемными ребрами, в которых выполнены на разных уровнях по высоте полого корпуса несколько радиальных отверстий с размещенным в них каскадом вихревых патрубков.

При анализе отличительных признаков описываемого устройства не выявлено аналогичных известных решений, имеющих совокупность отличительных признаков, касающихся образования снаружи полого корпуса предохранительных коркосъемных ребер, в которых выполнено радиальное отверстие с размещенным в нем вихревым патрубком. Также не выявлено аналогичных решений, имеющих совокупность отличительных признаков, касающихся размещения в верхней части полого корпуса над вихревым патрубком сепаратора, разделяющего полость повышенного давления на полуполости повышенного и избыточного давления, соединенные периферийными спиральными каналами.

Указанный технический результат достигается за счет более интенсивного удаления препятствующей эффективному созданию непроницаемого слоя кольматации толстой прочной фильтрационной корки со стенки ствола с помощью предохранительных коркосъемных ребер при вращательно-поступательном перемещении устройства в скважине, а размещение вихревого патрубка в указанных ребрах позволяет направить вытекающий из камеры завихрения веерообразный поток промывочной жидкости под соскребаемую ими со стенки ствола фильтрационную корку и за счет создаваемых под ней вихревым патрубком пульсаций мелких парогазовых пузырьков ускорить процесс очистки и кольматации породы стенки ствола, защитить торец вихревого патрубка от ударов при спуске и подъеме бурильной компоновки, истирания о породу ствола в процессе вращательного бурения ствола скважины.

Размещение над вихревым патрубком сепаратора, разделяющего полость повышенного давления на полуполости повышенного и избыточного давления, дает возможность за счет создания в периферийных спиральных каналах высокоскоростного вращающегося потока центробежных сил, способствующих отделению наиболее крупных препятствующих процессу кольматации и интенсифицирующих абразивный износ вихревого патрубка абразивных частиц и агрегатов из промывочной жидкости, поступающей через тангенциальные каналы в камеру завихрения.

Выполнение на разных уровнях по высоте полого корпуса нескольких радиальных отверстий с размещенным в них каскадом вихревых патрубков позволяет осуществить более эффективный и производительный процесс кавитационно-волновой кольматации проницаемой породы путем многоцикловой обработки участков стенки ствола поочередно каждым в отдельности вихревым патрубком, тем самым сделать слой кольматации более прочным, плотным и менее проницаемым.

Все признаки независимых пунктов формулы являются существенными, то есть необходимыми для обеспечения технического результата. Остальные признаки являются частью существенными, необходимыми для реализации частных решений конструкции устройства.

Так размещение на предохранительных коркосъемных ребрах калибрующих или/и центрирующих элементов, определение расстояния между ними и вихревым патрубком и диаметра камеры завихрения из указанных выше соотношений позволяет более интенсивно удалять фильтрационную корку со стенки ствола скважины, занять вихревому патрубку наиболее эффективное для осуществления процесса кольматации положение относительно стенки ствола, интенсифицировать в камере завихрения кавитационно-волновой процесс, повышающий эффективность очистки и кольматации породы ствола.

Выполнение на торце вихревого патрубка одной или несколько радиально направленных от камеры завихрения и ориентированных в направлении возможного вращения полого корпуса прорезей позволяет за счет направления большей части веерообразного потока промывочной жидкости под удаляемый со стенки ствола предохранительным коркосъемным ребром слой фильтрационной корки, нарастания нестабильности гидродинамики течения такого потока и характера возвратного приосевого течения в кавитационную область (зону пониженного давления) камеры завихрения, приводящего к усилению явлений динамического хаоса в ней и, как следствие, интенсификации кавитационно-волновых процессов, повысить эффективность очистки и кольматации ствола скважины.

Формирование поверхности камеры завихрения в виде параболоида с фокусом, расположенным в закорпусном пространстве между вихревым патрубком и цилиндрической поверхностью, образованной калибрующими или/и центрирующими элементами коркосъемных предохранительных ребер, дает возможность интенсифицировать кавитационно-волновые процессы в области нахождения указанного фокуса по законам геометрической акустики за счет фокусировки высокочастотных колебаний звукового давления, колебательной скорости частиц кольматанта и интенсивности звука [2].

Выполнение вихревого патрубка глухим с возможностью осевого перемещения в радиальном отверстии полого корпуса путем его выдвижения в закорпусное пространство при подаче промывочной жидкости на заявленное устройство позволяет в необходимых случаях, вызванных условиями его транспортировки при спуске в скважину и подъеме из нее, усилить гидродинамические и кавитационно-волновые процессы очистки и кольматации ствола скважины.

Применение глухого вихревого патрубка, выполненного в виде дифференциального поршня, делает возможным снижение действующей на фиксирующий вихревой патрубок в полом корпусе элемент в ограничительном пазе силы давления, выталкивающей вихревой патрубок в закорпусное пространство при подаче промывочной жидкости на данное устройство, и тем самым повысить надежность и долговечность работы устройства.

Размещение в нижней части полого корпуса коаксиально к нему дополнительного вихревого патрубка с камерой завихрения, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления тангенциальными каналами, позволяет образовать предварительный слой кольматации сразу же по формированию нижней части ствола скважины до возникновения фильтрационной корки и предотвратить ее появление до формирования радиально расположенными выше вихревыми патрубками окончательного слоя кольматации, что повысит эффективность работы устройства.

Выполнение вихревого патрубка с возможностью поворота в радиальном отверстии позволяет перемещать входное отверстие тангенциального канала от центральной до периферийной областей полуполости повышенного давления, в которой после прохождения через сепаратор произошло разделение твердой фазы промывочной жидкости по размерам и плотности частиц, которые в зависимости от размеров поровых каналов породы стенки ствола скважины могут быть использованы для формирования каркаса слоя кольматации в высокопроницаемой породе, что повысит эффективность работы устройства.

В связи с тем, что из данной области техники не известна совокупность признаков, характеризующих предложенное изобретение, можно сделать вывод о том, что заявленное изобретение отвечает условию "новизна".

Из изложенного выше следует, что изобретение отвечает и условию "изобретательский уровень", так как не является очевидным для специалиста в данной отрасли промышленности.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображено устройство для очистки и кольматации ствола скважины, общий вид; фиг.2 - предохранительное коркосъемное ребро с калибрующими (центрирующими) элементами; фиг.3 - вихревой патрубок с прорезью на торце; фиг.4 - камера завихрения в форме параболоида; фиг.5 - вихревой патрубок, выполненный с возможностью осевого перемещения; фиг.6 - вихревой патрубок, выполненный в виде дифференциального поршня; фиг.7 - коаксиальный полому корпусу дополнительный вихревой патрубок; фиг.8 - сепаратор и вихревой патрубок, выполненный с возможностью поворота в радиальном отверстии; фиг.9 - устройство с каскадом вихревых патрубков.

Устройство для очистки и кольматации ствола скважины по первому варианту (фиг.1) содержит полый корпус 1 с установленным в выполненном в нем радиальном отверстии 2 вихревым патрубком 3 с камерой завихрения 4, выходящей в закорпусное пространство 5 и связанной с полостью повышенного давления 6 полого корпуса тангенциальным каналом 7. Полый корпус снабжен предохранительными коркосъемными ребрами 8, уплотнительным 9 и фиксирующим 10 вихревой патрубок в полом корпусе элементами. На стенке ствола 11 скважины изображены фильтрационная корка 12 и слой кольматации 13.

На предохранительных коркосъемных ребрах (фиг.2) могут быть размещены калибрующие или/и центрирующие элементы 14.

На торце вихревого патрубка (фиг.3) могут быть выполнены одна или несколько прорезей 15, радиально направленных от камеры завихрения и ориентированных в направлении возможного вращения полого корпуса.

Поверхность 16 камеры завихрения вихревого патрубка (фиг.4) может быть сформирована в виде параболоида с фокусом 17, расположенным в закорпусном пространстве между вихревым патрубком и цилиндрической поверхностью 18, образованной калибрующими или центрирующими элементами коркосъемных предохранительных ребер.

Вихревой патрубок (фиг.5) может иметь глухую часть и быть выполнен с возможностью осевого перемещения в радиальном отверстии в ограничительном пазу 19 относительно фиксирующего элемента 10.

Вихревой патрубок (фиг.6) может быть выполнен в виде дифференциального поршня, в котором диаметр глухой части меньше диаметра со стороны выхода камеры завихрения в закорпусное пространство.

В нижней части полого корпуса коаксиально ему (фиг.7) может быть установлен дополнительный вихревой патрубок 20 с камерой завихрения 21, выходящей в закорпусное пространство и связанной с полостью повышенного давления одним или несколькими тангенциальными каналами 22. На дополнительном вихревом патрубке размещен уплотнительный элемент 23, снаружи внизу полого корпуса - породоразрушающие элементы 24.

Устройство для очистки и кольматации ствола скважины по второму варианту (фиг.8) содержит полый корпус 1 с установленным в выполненном в нем радиальном отверстии 2 вихревым патрубком 3 с камерой завихрения 4, выходящей в закорпусное пространство 5 и связанной с полостью повышенного давления 6 полого корпуса тангенциальным каналом 7. Полый корпус снабжен предохранительными коркосъемными ребрами 8 и установленным над вихревым патрубком сепаратором 25, разделяющим полость повышенного давления 6 на полуполости избыточного 26 и повышенного 27 давления, соединенные периферийными спиральными каналами 28 сепаратора 25. Вихревой патрубок может быть выполнен с возможностью поворота в радиальном отверстии вокруг своей оси.

Устройство для очистки и кольматации ствола скважины по третьему варианту (фиг.9) содержит полый корпус 1, снабженный предохранительными коркосъемными ребрами 8, в которых выполнены на разных уровнях по высоте полого корпуса несколько радиальных отверстий 2 с размещенным в них каскадом вихревых патрубков 3 с камерами завихрения 4, выходящими в закорпусное пространство 5 и связанными с полостью повышенного давления 6 полого корпуса тангенциальными каналами 7.

Устройство для очистки и кольматации ствола скважины по первому варианту работает следующим образом.

После спуска устройства на забой скважины (фиг.1) на колонне труб или шпинделе забойного двигателя под давлением закачивается промывочная жидкость, содержащая частицы кольматанта. Полый корпус 1 устройства начинает вращаться и поступательно перемещаться в стволе 11, на стенке которого в процессе фильтрации промывочной жидкости в проницаемую породу может образоваться толстая фильтрационная корка 12. Часть этой корки удаляется со стенки ствола предохранительными коркосъемными ребрами 8, которые также защищают торец вихревого патрубка 3 от износа вследствие истирания об породу стенки ствола при случайных контактах с ней при спуске и подъеме, а также перемещениях устройства при его работе. Промывочная жидкость из полости повышенного давления 6 полого корпуса через тангенциальный канал (каналы) 7 вихревого патрубка под действием перепада давления с высокой скоростью втекает в его камеру завихрения 4, порождая в ней вращающийся поток, устремляющийся к выходу в закорпусное пространство 5. Вследствие действия центробежных сил в осевой зоне камеры завихрения возникают значительные понижения давления, в которые из пристеночной части вращающегося потока промывочной жидкости диффундируют нерастворенные пузырьки газа, часть из которых коагулируют друг с другом, формируя неустойчивые к хаотическим динамическим течениям агрегатные структуры. Выход из камеры завихрения в закорпусное пространство скважины ограничен стенкой ствола и образует с нею кольцевой периферийный зазор, в который устремляется вращающийся дегазированный поток промывочной жидкости, преобразующийся в зазоре в радиальный веерообразный поток, действующий в стык под соскребаемую предохранительными коркосъемными ребрами со стенки ствола фильтрационную корку. Тем самым интенсифицируется процесс разрушения препятствующей эффективной кольматации породы фильтрационной корки.

Часть вращающегося потока отражается от стенки ствола и устремляется в осевую зону пониженного давления камеры завихрения вихревого патрубка. Под его воздействием формы газовых пузырьков становятся неустойчивыми к хаотическим динамическим возмущениям взаимодействующих в камере завихрения встречных пристеночного и отраженного потоков. Происходит схлопывание кавитационных пузырьков, сопровождающееся локальными ударными волнами давления, разогревом околопузырьковых областей и высокоскоростными микротечениями. Так как зона пониженного давления ограничена вращающимся потоком наиболее плотной среды и стенкой ствола, то в ней происходит накопление пузырьков газа, разогрев среды до значений, обеспечивающих возникновение паровых навигационных пузырьков. Кавитация принимает характер парогазодиффузионного процесса, создающего интенсивные нелинейные волновые явления. В промывочных жидкостях, применяемых при бурении скважин, присутствует множество зародышей кавитации в виде мельчайших пузырьков газа, гидрофобизированных твердых частиц (например, глины) и газовых включений в их микротрещинах. Появлению кавитации на поверхности стенки скважины способствуют пузырьки природных газов в трещинах и порах породы. Кавитация легко возникает на границах раздела сред, отличающихся волновым сопротивлением [3]. Молекулы поверхностно-активных веществ (ПАВ), которых обычно много в промывочных жидкостях, адсорбируясь полярной частью в сторону дисперсионной среды, облегчают осуществление разрыва сплошности жидкости на границе раздела фаз.

Скорость диффузии молекул газа из пузырька в жидкость и обратно при кавитации обычно невелика, но в условиях значительных гидростатических давлений в скважинах может существенно вырасти и усилить навигационные процессы. В промывочной жидкости, содержащей множество органических соединений, даже при больших гидростатических давлениях существуют определенных размеров свободные пузырьки газа, которые не растворяются в жидкости из-за наличия пленок из монослоя органических молекул, придающих пузырькам жесткость на сжатие [4]. Но в условиях хаотического характера динамики потоков отдельных слоев жидкости нарушается равномерность обжатия пузырька. Он деформируется, устойчивость его теряется, и в местах пережимов оболочки его стенки стремительно сближаются, порождая при соударении высокоскоростные микротечения и ударные микроволны [3, 5]. Но уже на расстоянии два радиуса пузырька от центра его схлопывания величина давления ударной микроволны уменьшается более чем на порядок. Поэтому разрушающее действие такая волна оказывает только на близкие к пузырьку объекты, например крупные частицы или агрегаты фильтрационной корки и кольматирующей твердой фазы промывочной жидкости.

Интенсивные пульсации кавитационных полостей сопровождаются также значительным выделением тепла в околопузырьковую область, при этом температура может достигать тысячи градусов Цельсия [3, 4]. Накопление тепла происходит на границе раздела сред. Увеличение дисперсности твердой фазы промывочных растворов ведет к возрастанию температуры среды при кавитации [6]. Отсюда следует, что диспергирование твердых частиц в условиях кавитации сопровождается гидромеханическим и термическим разрушением их адсорбционно-сольватных слоев. Возникающее при этом явление неустойчивой дисперсности частиц, обладающих избыточной поверхностной энергией, способствует усилению процесса снижения проницаемости породы при бурении продуктивного пласта, создания слоя кольматации 13 в поровых каналах стенки ствола за счет коагуляции и интенсивной адгезии частиц с поверхностью каналов.

Пульсации пузырьков вблизи обрабатываемой проницаемой стенки скважины и на сужающихся входах в микротрещины и поровые каналы, где всегда имеются в избытке зародыши кавитации, вызывают появление звукокапиллярного эффекта и возникновение "фокусировки" ударных микроволн, которые способствуют проникновению в поровые каналы твердых активированных частиц. При этом возможно попадание в поровые каналы части устойчивых газовых пузырьков, имеющих органическую оболочку и которые будут не только кольматировать каналы, но и придадут слою кольматации упругую податливость динамическим изменениям давления в скважине. Кроме того, благодаря возникновению при кавитации пузырьковой среды понизится средняя плотность гидросреды и существенно уменьшится скорость звука в ней, что приведет к заметному росту в звуковом поле сил нелинейного характера, интенсифицирующих процесс кольматации.

Размещенные на предохранительных коркосъемных ребрах 8 калибрующие или центрирующие элементы 14 (фиг.2) способствуют более эффективному удалению фильтрационной корки в зоне кольматации ствола скважины и обеспечивают более эффективное для процесса кольматации расстояние h между нею и вихревым патрубком, выбранное из указанного выше соотношения. Той же цели служит применение в устройстве вихревого патрубка с диаметром d камеры завихрения на участке размещения тангенциальных каналов, выбранным в соответствии с приведенным выше соотношением.

Использование устройства, изображенного на фиг.3, содержащего вихревой патрубок, на торце которого выполнены одна или несколько радиально направленных от камеры завихрения и ориентированных в сторону вращения полого корпуса прорезей 15 позволяет направить большую часть веерообразного потока промывочной жидкости под удаляемый со стенки ствола предохранительным коркосъемным ребром слой фильтрационной корки, усилить нестабильность гидродинамики течения такого потока и характера возвратного приосевого течения в кавитационную область (осевую зону пониженного давления) камеры завихрения, приводящего к усилению явлений динамического хаоса в ней и, как следствие, интенсификации кавитационно-волновых процессов, повышающих эффективность очистки и кольматации ствола скважины.

При применении устройства, изображенного на фиг.4, содержащего вихревой патрубок с поверхностью 16 камеры завихрения 4, выполненной в виде параболоида с фокусом 17, расположенным в закорпусном пространстве между вихревым патрубком и цилиндрической поверхностью 18, образованной калибрующими или центрирующими элементами 14, дает возможность интенсифицировать кавитационно-волновые процессы в области нахождения указанного фокуса по законам геометрической акустики за счет фокусировки высокочастотных колебаний звукового давления, колебательной скорости частиц кольматанта и интенсивности звука [2], тем самым повысить эффективность работы устройства.

При использовании устройства (фиг.5), в котором вихревой патрубок, выполненный глухим с возможностью осевого перемещения в радиальном отверстии полого корпуса по ограничительному пазу 19 относительно фиксирующего элемента 1, позволяет за счет выдвижения вихревого патрубка на более эффективное расстояние до ствола в закорпусное пространство при подаче промывочной жидкости усилить гидродинамические и кавитационно-волновые процессы очистки и кольматации ствола скважины, а в процессе спуска и подъема устройства из скважины вследствие касаний вихревого патрубка об ствол утопить его торец в предохранительном коркосъемном ребре полого корпуса, что повысит эффективность и долговечность работы устройства.

В случае применения устройства (фиг.6), в котором вихревой патрубок 3 выполнен в виде дифференциального поршня с диаметром со стороны глухой части, меньшим наружного диаметра со стороны выхода камеры завихрения в закорпусное пространство, снижаются действующие на ограничительный паз и фиксирующий в полом корпусе вихревой патрубок элемент 10 силы давления, выталкивающие его в закорпусное пространство при подаче промывочной жидкости на устройство, и тем самым повышается надежность и долговечность его работы.

При использовании устройства (фиг.7), в нижней части полого корпуса которого коаксиально установлен дополнительный вихревой патрубок 20 с камерой завихрения 21, связанной с полостью повышенного давления 6 одним или несколькими тангенциальными отверстиями 22, часть потока промывочной жидкости поступает в камеру завихрения, порождая в ней за счет образования и схлопывания кавитационных парогазовых пузырьков пульсации давления с широкополосным спектром частот и амплитуд. Вследствие этого, еще до возникновения фильтрационной корки на стволе образуется слабопроницаемый слой кольматации, который при воздействии последующих кавитационно-волновых явлений, генерируемых вихревым патрубком (патрубками), установленным в предохранительном коркосъемном ребре, становится более прочным к действию перепада давления в скважине и пласте на ствол и менее проницаемым, тем самым повышается эффективность работы устройства.

Устройство для очистки и кольматации ствола скважины по второму варианту работает следующим образом. Поток промывочной жидкости с высокой плотностью, содержащей утяжелители, частицы шлама породы и иной твердой фазы, перетекает с большой скоростью из полуполости 26 избыточного давления (фиг.8) по спиральным каналам 28 сепаратора 25 в полуполость 27 повышенного давления, в которой преобразуется во вращающийся поток, где под действием центробежных сил твердая фаза разделяется по плотности и отчасти по размерам. Известно, что для осуществления эффективного процесса кольматации необходимо объемное содержание 3,5-6% частиц кольматанта в промывочной жидкости. Обычно в промывочной жидкости с высокой плотностью 1200-1500 кг/м³ содержится 15-25% твердой фазы. После сепарации в средней приосевой области полуполости повышенного давления объемное содержание частиц твердой фазы становится более оптимальным для процесса кольматации. Промывочная жидкость такого состава поступает через размещенный в осевой зоне полуполости повышенного давления тангенциальный канал в камеру завихрения вихревого патрубка, откуда в зону кольматации. Благодаря создаваемой в устройстве центробежной сепарации эффективность процесса кольматации с применением промывочной жидкости высокой плотности увеличивается.

При использовании устройства, вихревой патрубок которого выполнен с возможностью поворота в радиальном отверстии (фиг.8), возникает возможность при использовании промывочной жидкости с низкой плотностью и объемным содержанием твердой фазы менее 2% путем поворота патрубка переместить вход тангенциального канала в периферийную область вращающегося в полуполости повышенного давления потока с более оптимальным для процесса кольматации содержанием твердой фазы.

Устройство для очистки и кольматации ствола скважины по третьему варианту работает следующим образом. Поток промывочной жидкости с кольматантом поступает через тангенциальные каналы в камеры завихрения расположенных на разных уровнях по высоте полого корпуса каскада вихревых патрубков. При этом очищаемый и кольматируемый участок стенки ствола скважины несколько раз обрабатывается поочередно каждым вихревым патрубком их каскада, что позволяет образовать более прочный и менее проницаемый слой кольматации, тем самым повысить эффективность работы устройства.

Таким образом, средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для применения в области бурения скважин, а именно для изоляции проницаемых пластов и подготовки ствола скважины к цементированию. Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных средств. Устройство, воплощающее заявленное изобретение, способно обеспечить достижение указанного выше технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Авторское свидетельство 1536918 SU, кл. Е21В 37/02. Устройство для кольматации и очистки стенок скважины / Н.А.Шамов, М.Р.Мавлютов, Р.Ф.Ганиев, Ю.С.Кузнецов, А.П.Катков, Э.Ш.Хамзин. - 4303995; Заявлено 07.07.87; Бюл. № 2, 1990. - 2 с.: ил.

2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Галямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с., ил.

3. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 687 с.

4. Ультразвуковая обработка дисперсий глинистых минералов / Н.Н.Круглицкий, С.П.Ничипуренко, В.В.Симуров, В.В.Минченко / Под ред. Н.Н.Круглицкого. - Киев: Наукова думка, 1971.

5. Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. - М.-Л.: ГИТТЛ, 1961.

6. Гинетлинг А.М., Барам А.А. Ультразвук в процессах химической технологии. - Л.: Госхимиздат, 1960. - 96 с.