вихревой центробежный сепаратор-кольмататор

Формула изобретения

Вихревой центробежный сепаратор-кольмататор, включающий трубчатый корпус с кольматирующими насадками, завихритель с закручивающими струю отражателями, выполненными из твердосплавного материала и размещенными в корпусе, патрубок со щелевидными отверстиями, расположенный под завихрителем, отличающийся тем, что последний выполнен в виде сменной трубки с тангенциальными окнами, а в стенках кольматирующих насадков, установленных во впрессованных в стенку корпуса втулках диаметрально противоположно друг другу, в области между внутренней стенкой корпуса и патрубком выполнены по два тангенциальных окна для вторичной закрутки потока бурового раствора.

Описание изобретения к патенту

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

Известно устройство для снижения проницаемости пластов путем гидромониторной обработки стенок скважины в процессе бурения глинистым раствором с помощью переводника с боковой гидромониторной насадкой, устанавливаемой над долотом (А.С. СССР №819306, Е21В 33/138). Обработка ведется направленной перпендикулярно стенке скважины гидромониторной струей со скоростью 60-120 м/с.

Недостатком данного устройства является то, что воздействие на стенки скважины высокоскоростной напорной струи с маленьким пятном контакта будет оказывать на малопрочные породы не столько кольматирующее, сколько разрушающее воздействие, что неизбежно будет приводить к расширению ствола скважины и кавернообразованию. Поэтому данное устройство может применяться лишь для кольматации высокопрочных пород.

Известно также устройство для кольматации стенок скважины буровым раствором, включающее полый корпус, завихритель с радиальными лопастями и размещенным в нижней части корпуса патрубком, внутри которого установлено кольматационное сопло (А.С. СССР №1439215, Е21В 37/02). Целью данного изобретения является повышение эффективности кольматации путем обработки стенок скважины мелкой фракцией бурового раствора.

Этому устройству присущи те же недостатки, что и предыдущему. Кроме того, закрутка бурового раствора с помощью завихрителя с радиальными лопастями предопределяет слабую сепарацию раствора.

Известно устройство для кольматации и очистки стенок скважины, представляющее собой наддолотный переводник, в который перпендикулярно его оси вмонтирован цилиндрический патрубок, в средней части которого выполнены по два тангенциальных канала по обе стороны от оси устройства, связывающих внутреннюю полость устройства с кольцевым пространством. Устройство, по мнению автора, является гидравлическим генератором низкочастотных колебаний, который позволяет эффективно кольматировать стенки скважины и смывать глинистую корку при вращении бурильного инструмента (А.С. СССР №1594264, Е21В 37/00, 33/138).

Из описания конструктивной схемы и работы данного устройства следует, что оно является кольмататором вихревого типа, который обеспечивает воздействие кольматирующей струи на стенки скважины не перпендикулярно, а под некоторым углом, благодаря чему сводится к минимуму разрушающее ее воздействие.

Недостатком данного устройства, как и всех предыдущих, является то, что для эффективной кольматации пород требуется буровой раствор с достаточным содержанием твердой фазы, что предопределяет повышенную плотность его, особенно при необходимости кольматации пород с высокой пористостью и проницаемостью, например песков, слабосцементированных песчаников, многолетнемерзлых пород с малым содержанием минерального вещества и т.д. Поскольку повышенная плотность раствора означает повышенное давление на забой, это приводит к снижению механической скорости и всех других показателей бурения, возможны осложнения в стволе скважины.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для кольматации стенок скважины буровым раствором, включающее трубчатый корпус с радиальными сливными насадками, завихритель в виде сменной втулки с закручивающими струю отражателями по внутренней образующей, выполненный из твердосплавного материала и размещенный в корпусе, патрубок с щелевидными отверстиями, расположенный под завихрителем, кольцевую направляющую со сквозными отверстиями, оборудованными тангенциальными дроссельными насадками, и фиксирующее кольцо для удержания кольцевой направляющей от перемещения (Патент РФ №2219324 Е21В 21/00, 33/138).

Недостатком данного устройства является высокое разрушающее воздействие струи жидкости на горную породу. Устройство сложно по конструктивному исполнению и имеет малый срок службы, особенно узлы, подвергающиеся интенсивному воздействию высокоскоростной абразивной струи. Кроме того, ему присущи недостатки, заключающиеся в создании повышенного давления на забой.

Задачей изобретения является повышение эффективности кольматации проницаемых стенок скважины, сложенных малопрочными и слабосцементированными горными породами, при пониженном содержании твердой фазы в буровом растворе, например, при бурении на малоглинистых буровых растворах.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для кольматации стенок скважины буровым раствором, включающем трубчатый корпус с насадками, завихритель с закручивающими струю отражателями, выполненными из твердосплавного материала и размещенными в корпусе, патрубок с щелевидными отверстиями, расположенный под завихрителем, выполнен в виде сменной трубки с продольными окнами, а в стенках кольматирующих насадков, установленных во впрессованных в стенку корпуса втулках диаметрально противоположно друг другу, в области между внутренней стенкой корпуса и патрубком выполнены по два тангенциальных окна для вторичной закрутки потока бурового раствора.

Выполнение устройства составным влияет на его долговечность, так как обеспечивает возможность замены любой вышедшей из строя детали на новую. Наиболее интенсивному изнашиванию подвергается сменная гильза, так как на нее приходится воздействие бурового раствора, содержащего абразивные частицы и истекающего из окон завихрителя.

Благодаря пониженному содержанию твердой фазы, а следовательно, и плотности бурового раствора, поступающего на забой скважины, увеличивается скорость бурения не менее чем в 1,4-1,5 раза и проходка на долото не менее чем на 15%, а вихревая обработка проницаемых пластов в процессе вскрытия позволяет эффективно снижать проницаемость пород и увеличивать их прочность путем кольматационного упрочнения пород одновременно с их вскрытием.

На фиг.1 изображен общий вид устройства; на фиг.2 - разрез по линии А-А завихрителя; на фиг.3 - схема распространения кольматирующей струи; на фиг.4 - пятно контакта струи со стенкой скважины.

Устройство включает корпус 1, завихритель 2, закрепленный соосно корпусу при помощи верхней кольцевой заглушки 3, установленной на торце гильзы 4, впрессованной в верхнюю часть канала корпуса и упирающейся буртиком в кольцевую выточку. К нижнему концу завихрителя закреплена заглушка 5, к которой присоединена коаксиально расположенная трубка 6, простирающаяся до нижней кольцевой заглушки 7 и соединенная с ней. В завихрителе выполнены два тангенциальных окна 8 для выхода бурового раствора в кольцевое пространство, образованное его наружной стенкой и внутренней стенкой гильзы. В трубке 6 выполнены продольные щелевидные окна 9 для прохода бурового раствора из межтрубного пространства между ее наружной стенкой и внутренней стенкой корпуса к долоту. Две кольматирующие насадки 10 установлены во впрессованных в стенку корпуса втулках 11 диаметрально противоположно друг другу. В стенках насадков в области между внутренней стенкой корпуса и трубкой выполнены по два тангенциальных окна 12 для вторичной закрутки раствора перед выходом его в затрубное пространство.

Все детали устройства, подвергающиеся интенсивному воздействию раствора, выполнены из сверхтвердого сплава типа ВК. Все сочленения, выполненные на резьбе, загерметизированы медными или резиновыми уплотнительными кольцами. На обоих концах корпуса нарезана замковая резьба для присоединения устройства к валу забойного двигателя и к долоту.

Устройство работает следующим образом. Поток бурового раствора, выходя через тангенциальные окна 8 завихрителя 3, получает интенсивное вращение, благодаря чему происходит его центробежная сепарация. Слой раствора, прилегающий к внутренней стенке корпуса, обогащенный твердой фазой, проходя через тангенциальные окна 12 кольматирующей насадки 10, закручивается вторично и выходит из нее в виде кругового вихря (веера), охватывая кольматацией определенный участок стенки скважины. Другая часть раствора с меньшим содержанием твердой фазы, прилегающая к трубке 6, проходит через окна 9 и подается к долоту.

Площадь сечения окон 8 выбирается из условия достижения эффективной сепарации раствора, а соотношение площадей сечения окон 9 и 12 - из расчета, что на вихревые насадки приходится 1/4-1/3 часть общего расхода раствора.

В процессе работы вихревая струя будет наносить на стенку скважины кольматирующее вещество под острыми углами к ней, т.е. будет оказывать скользящее воздействие. Таким образом, практически исключается разрушение стенки скважины и отскок кольматанта от нее. Кольматационный слой наращивается постепенно путем многократного «размазывания» его по поверхности.

Дивергенция вихря определяется соотношением тангенциальной V и осевой V составляющих скорости потока

Составляющие скорости V и V связаны соотношением

где f и f - площади сечения тангенциального и осевого сечения каналов кольматирующей насадки.

Приближенный гидродинамический расчет завихрителя и кольматирующей насадки может быть легко осуществлен по формулам гидродинамики, но действительная характеристика должна устанавливаться экспериментально. Скорость V при заданном Р будет определяться соотношением f и f . При данной f скорость V будет почти целиком определяться величиной f .

Расчеты показывают, что при обычно применяемых параметрах промывки (Q=30 л/с, =1100 кг/м³) и принятых конструктивно размерах устройства V составляет величину порядка 25 м/с, a V - 75 м/с. Тогда по формуле (1) получим

.

Наиболее важными параметрами вихревой струи являются:

1) угол между образующей конуса вихря и стенкой скважины, который можно найти по формуле

2) угол между образующей конуса вихря и касательной к стенке скважины, который можно определить из формулы

3) высота h между осью кольматирующей насадки и наивысшей точкой кольматационного пятна

4) расстояние l по дуге окружности, покрываемое за один оборот вихря,

В приведенных выше формулах R _c и R_к - соответственно радиус скважины и выходного среза вихревой насадки.

По приведенным формулам последовательно вычисляем

Здесь принято, что диаметр кольмататора составляет 3/4 диаметра скважины. Тогда за один оборот вихря будет покрыто по вертикали расстояние, равное 2h=0,165 м.

Из фиг.3 имеем:

.

Тогда

.

.

Таким образом, за один оборот вихря кольматацией будет охвачен участок, представляющий собой эллипс с большей вертикальной полуосью.

Можно также определить угловую и круговую частоту вихря.

Внутренний радиус кольматирующей насадки определяется из условия, что через нее направляется 1/m часть общего расхода раствора:

Частота вихря приблизительно равна:

1) угловая

2) круговая

Таким образом, за период одного оборота долота (n =8 об/с) вихрь успеет совершить примерно 186 оборотов.

Применение устройства для кольматации стенок скважины не требует применения специальных режимов бурения, типов и показателей свойств буровых растворов, дополнительного технического и технологического оборудования. Сепаратор-кольмататор прост по конструкции, надежен в работе и может быть использован как при роторном способе, так и при бурении забойными двигателями.