Результат интеллектуальной деятельности: БУРГОЛОВКА К КЕРНООТБОРНОМУ СНАРЯДУ ДЛЯ ОТБОРА ИЗОЛИРОВАННОГО КЕРНА

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента для бурения скважин, а именно к бурголовкам к керноотборному снаряду для отбора изолированного керна, поровое пространство которого в процессе бурения изолируется от контакта с буровым раствором как в процессе бурения, так и при подъеме на поверхность, чем минимизируется величина проникновения фильтрата бурового раствора на водной основе (далее - РВО) в периферию колонки керна. Благодаря этому повышается информативная ценность керна, поскольку в его центральной зоне может сохраняться один из важных параметров флюидонасыщения, а именно коэффициент остаточной водонасыщенности (далее - Ков), используемый при подсчете запасов нефти и газа.

Известна кольцевая буровая коронка (Патент РФ №2078899, МПК Е21В 10/60, опубликовано 10.05.1997), выбранная в качестве аналога и содержащая

- полый корпус с наружными и торцевыми лопастями, в которых закреплены скважино- и кернообразующие резцы,

- резьбу, выполненную в верхней части корпуса для соединения с корпусом керноотборного снаряда,

- промывочные отверстия, выполненные в теле корпуса буровой коронки и выходящие из полости корпуса в его торцевые канавки, расположенные между лопастями,

- центральное керноприемное отверстие, выполненное в нижней части корпуса буровой коронки,

- кольцевую канавку, выполненную в корпусе буровой коронки концентрично керноприемному отверстию,

- в которой с зазором относительно стенок и дна канавки установлена нижняя кромка корпуса кернорвателя керноприемника керноотборного снаряда,

- при этом верхний ряд кернообразующих резцов при вращении описывает окружность, диаметр которой равен диаметру выбуриваемого керна.

Известная буровая коронка не обеспечивает надежной изоляции керна от контакта с РВО и проникновения его фильтрата в периферию колонки керна, поскольку часть бурового раствора в количестве не менее 5…10% от расхода попадает через зазор между кольцевой канавкой и нижней кромкой корпуса кернорвателя в керноприемное отверстие противотоком уже выбуренному керну, омывая его периферию и фильтруясь в его поровое пространство, что снижает информативную ценность керна, поскольку в поровом пространстве произойдет необратимый процесс искажения пластового параметра Ков, минерализации и химического состава остаточной воды, что снизит качество керна.

Кроме того, фильтруясь в керн, буровой раствор будет осаждать на периферии колонки керна свою твердую фазу, образуя глинистую корку на его наружной поверхности, что приведет к увеличению диаметра керна и может способствовать заклиниванию керна в керноприемнике, поскольку радиальные зазоры между его внутренней стенкой и наружной поверхностью керна ограничены величиной 1…2 мм. Последующее набухание глинистой корки по мере перемещения колонки керна в керноприемник в процессе продолжения рейса бурения еще более увеличит диаметр керна, и вероятность заклинивания керна увеличится, что может привести либо к бурению сплошным забоем и перетиранию с разрушением выбуриваемого керна и его потере, либо к необходимости прерывания процесса бурения и незапланированному подъему керноотборного снаряда, что увеличит непроизводительные временные затраты.

Совокупность перечисленных обстоятельств существенно снижает информативную ценность керна, отобранного известной буровой коронкой, а также увеличивает вероятность потери керна и повышения непроизводительных временных затрат.

Известна бурголовка керноотборного снаряда (Патент РФ №2252307, МПК Е21В 25/08, опубликовано: 20.05.2005 и см. Приложение 1 «Схемное решение керноотборного снаряда для отбора изолированного керна конструкции НПП «СибБурмаш» по патенту РФ №2252307»), выбранная в качестве прототипа и содержащая

- полый корпус с наружными и торцевыми лопастями, в которых закреплены скважино- и кернообразующие резцы,

- резьбу, выполненную в верхней части корпуса для соединения с корпусом керноотборного снаряда,

- промывочные отверстия, выполненные в теле корпуса бурголовки и выходящие из полости корпуса в его торцевые канавки, расположенные между лопастями,

- центральное керноприемное отверстие, выполненное в нижней части корпуса бурголовки,

- выполненную концентрично над керноприемным отверстием цилиндрическую расточку, с которой подвижно взаимодействует соединенный с корпусом кернорвателя керноприемника керноотборного снаряда стакан, в кольцевых канавках которого установлены разрезные уплотнительные кольца, выполненные из упругодеформируемого металла,

- при этом наиболее близко расположенные к центру вращения кернообразующие резцы при вращении описывают окружность, диаметр которой равен диаметру выбуриваемого керна.

Благодаря тому, что уплотнительные кольца герметично перекрывают кольцевой зазор в контакте расточки известной бурголовки и стакана буровой раствор поступает на забой скважины только через промывочные отверстия бурголовки, не контактируя в керноприемном отверстии с выбуриваемым керном, что не обеспечивается аналогом. Контакт керна с буровым раствором происходит только на участке от торца известной бурголовки до входа в керноприемное отверстие, поскольку выше его полость керноприемника заполнена безводным изолирующим агентом, который вытесняемый керном, поступающим в керноприемник, противотоком будет омывать выбуриваемый керн уже на входе в керноприемное отверстие бурголовки, изолируя его с этого момента на все время процесса дальнейшего бурения и подъема на поверхность от контакта с буровым раствором. Этому также способствует и плотность изолирующего агента, которая меньше плотности бурового раствора, и, следовательно, не позволяет ему самопроизвольно изливаться из керноприемника.

Но даже непродолжительное время контакта керна с буровым раствором позволяет фильтрату последнего проникнуть в периферию колонки керна, особенно если он представлен достаточно проницаемыми и пористыми породами (см. фото в Приложении 2). Учитывая, что время бурения с отбором керна в необходимом интервале и последующего подъема выбуренного керна со снарядом на поверхность исчисляется десятками часов, в результате диффузионно-капиллярного обмена между периферией керна, «загрязненной» фильтратом РВО, и его сердцевиной в центральной части колонки керна может произойти необратимый процесс искажения пластового параметра Ков, минерализации и химического состава остаточной воды, что снизит качество керна.

Кроме того, в процессе бурения с отбором керна, например, в течение 10-ти часов, с частотой вращения корпуса керноотборного снаряда с бурголовкой, равной 100 об/мин, при неподвижном относительно выбуриваемого керна керноприемнике, для чего он оборудован подвесной опорой на подшипниках, бурголовка совершит относительно неподвижного стакана и его уплотнительных колец 60 тысяч оборотов, а суммарная длина контакта взаимного трения вращающейся расточки с неподвижными уплотнительными кольцами при керне диаметром 100 мм составит за это время не менее 21 тысячи метров. Учитывая, что твердость разрезных уплотнительных колец, выполненных из термообработанного металла и обладающих пружинными свойствами, как правило, намного выше твердости металла, из которого выполнен корпус бурголовки, в зоне контакта этих колец с вращающейся цилиндрической расточкой ввиду абразивного износа будут образовываться выработки в виде кольцевых канавок. Этому будет способствовать также и то, что этот контакт происходит в среде, заполненной циркулирующим буровым раствором, содержащим твердую глинистую фазу, а также неудаленные при очистке бурового раствора микрочастицы шлама, содержащие песок. Как следствие, разрезные уплотнительные кольца, благодаря пружинным свойствам, будут расширяться, при этом увеличивая зазоры в местах разрезов, в результате чего некоторый объем бурового раствора будет проникать через эти зазоры противотоком навстречу выбуриваемому керну, фильтруясь в периферию колонки керна и увеличивая глубину «загрязненной» зоны.

Поскольку основной целью отбора изолированного керна является получение керна с сохраненной остаточной водонасыщенностью, а износ цилиндрической расточки известной бурголовки влечет за собой контакт керна с буровым раствором и его дополнительную фильтрацию в поровое пространство, информативная ценность и качество керна будут снижены. Поэтому бурголовку с образовавшимися кольцевыми канавками в цилиндрической расточке необходимо будет заменить на новую, несмотря на то, что, например, износ ее вооружения, т.е. породоразрушающих резцов, не достиг предельного состояния. Таким образом, к недостаткам известной бурголовки следует отнести ее низкую эксплуатационную долговечность.

Совокупность перечисленных обстоятельств будет снижать информативную ценность и качество керна, отобранного известной бурголовкой, а также ее эксплуатационную долговечность.

Задачей изобретения является создание технического решения бурголовки к керноотборному снаряду для отбора изолированного керна, лишенной перечисленных недостатков.

Техническим результатом решения этой задачи является повышение качества керна, отобранного заявляемой бурголовкой к керноотборному снаряду для отбора изолированного керна, и повышение ее эксплуатационной долговечности.

Для обеспечения этого результата известная бурголовка, содержащая

- полый корпус с наружными и торцевыми лопастями, в которых закреплены скважино- и кернообразующие резцы,

- резьбу, выполненную в верхней части корпуса для соединения с корпусом керноотборного снаряда,

- промывочные отверстия, выполненные в теле корпуса бурголовки и выходящие из полости корпуса в его торцевые канавки глубиной Z, расположенные между торцевыми лопастями,

- центральное керноприемное отверстие, выполненное в нижней части корпуса бурголовки,

- выполненную концентрично над керноприемным отверстием цилиндрическую расточку,

- соединенный с корпусом узла отделения керна стакан, в кольцевых канавках которого установлены разрезные уплотнительные кольца, выполненные из упругодеформируемого металла.

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

- дополнительно содержит металлическую втулку, неподвижно закрепленную в цилиндрической расточке и взаимодействующую с установленным в ней стаканом, при этом твердость материала втулки соответствует твердости материала разрезных уплотнительных колец,

- кернообразующие резцы, закрепленные в торцевых лопастях, при вращении бурголовки описывают окружность, диаметр D₁ которой больше диаметра Dк выбуриваемого керна на 5…10 мм,

- в керноприемном отверстии выше торцевых канавок дополнительно неподвижно установлены финишные кернообразующие резцы, которые при вращении бурголовки описывают окружность с диаметром, равным диаметру Dк выбуриваемого керна.

Изобретение поясняется чертежами:

- на фиг. 1 изображена заявляемая бурголовка в исходном положении;

- на фиг. 2 изображена заявляемая бурголовка в рабочем положении.

Заявляемая бурголовка к керноотборному снаряду для отбора изолированного керна (фиг. 1) содержит полый корпус 1 с наружными 2 и торцевыми 3 лопастями, в которых закреплены скважинообразующие 4 и кернообразующие 5 резцы. В верхней части корпуса 1 выполнена резьба 6 для соединения с корпусом 7 керноотборного снаряда. В теле корпуса 1 бурголовки выполнены промывочные отверстия 8 для циркуляции бурового раствора, выходящие из полости 9 корпуса 1 в его торцевые канавки 10 глубиной Z, расположенные между торцевыми 3 лопастями. Центральное керноприемное отверстие 11 выполнено в нижней части корпуса 1, а концентрично над керноприемным отверстием 11 выполнена цилиндрическая расточка 12, в которой неподвижно (например, методом запрессовки) закреплена металлическая втулка 13.

Неподвижный, соединенный с корпусом 14 узла отделения керна стакан 15 с установленными в его кольцевых канавках 16 разрезными уплотнительными кольцами 17, выполненными из упругодеформируемого металла, установлен во втулке 13, твердость материала которой соответствует твердости материала разрезных уплотнительных колец 17. Стакан 15 с нижнего торца герметично закрыт разрывной диафрагмой 18, предотвращающей вытекание изолирующего агента 19 при его заполнении из керноприемника (не показан) в процессе сборки керноотборного снаряда на поверхности перед его спуском в скважину.

Кернообразующие резцы 5, закрепленные в лопастях 3, при вращении бурголовки описывают окружность, диаметр D₁ которой больше диаметра Dк выбуриваемого керна 20 (фиг. 2) на 5…10 мм. Тем самым по периферии выбуриваемого керна 20 на номинальном диаметре Dк образуется кольцевой припуск величиной А, равной 2,5…5 мм (фиг. 2), который затем при поступлении выбуриваемого керна 20 в керноприемное отверстие 11 удаляется финишными кернообразующими резцами 21, неподвижно установленными в керноприемном отверстии 11 выше торцевых канавок 10 и описывающими при вращении бурголовки окружность с диаметром, равным диаметру Dк выбуриваемого керна 20.

Заявляемая бурголовка к керноотборному снаряду для отбора изолированного керна работает следующим образом.

Перед спуском в скважину бурголовку (фиг. 1.) при сборке на поверхности свинчивают с корпусом 7 керноотборного снаряда. Снаряд устанавливают на устье в клиньях ротора (не показаны) и в него устанавливают керноприемник (не показан), с нижней частью которого в виде корпуса 14 соединяется стакан 15 с установленными в его кольцевых канавках 16 разрезными уплотнительными кольцами 17 и герметично соединенной с его нижним торцом разрывной диафрагмой 18, после чего полость керноприемника заполняют изолирующим агентом 19, плотность которого меньше плотности бурового раствора, что предотвращает самопроизвольный излив агента 19 в скважине из керноприемника после разрыва диафрагмы 18. При установке керноприемника в корпус 7 стакан 15 заходит в расточку втулки 13. При этом кольца 17, упруго деформируясь, сжимаются, уменьшая зазоры в местах разрезов, и также вместе со стаканом 15 заходят в расточку втулки 13, герметично отделяя полость 9 корпуса 1 от полости керноприемного отверстия 11. Тем самым предотвращается переток бурового раствора из полости 9 навстречу выбуриваемому керну 20.

После сборки керноотборный снаряд с заявляемой бурголовкой на колонне бурильных труб (не показаны) спускают в скважину, включают промывку с циркуляцией бурового раствора через снаряд, полость 9 корпуса 1 бурголовки и промывочные отверстия 8 на забой скважины (не показана) и вращение снаряда с заявляемой бурголовкой. При подаче нагрузки начинается процесс бурения с отбором керна 20 (фиг. 2). При этом скважинообразующие резцы 4 формируют ствол скважины, а кернообразующие резцы 5 обуривают керн 20, оставляя на нем кольцевой припуск величиной А, равной 2,5…5 мм (фиг. 2), который затем при поступлении выбуриваемого керна 20 в керноприемное отверстие 11 удаляется финишными кернообразующими резцами 21, неподвижно установленными в керноприемном отверстии 11 выше торцевых канавок 10 и описывающими при вращении бурголовки окружность с диаметром, равным диаметру Dк выбуриваемого керна 20.

После разрыва диафрагмы 18 выбуриваемым керном 20 и его поступления в керноприемник вытесняемый изолирующий агент 19 циркулирует вниз противотоком поступающему керну 20, заполняет зазоры между последним и стенками керноприемного отверстия 11 и вымывается в скважину, предотвращая поступление бурового раствора выше торцевых канавок 10. Финишные резцы 21 срезают «загрязненный» фильтратом припуск А в зоне, заполненной только безводным изолирующим агентом 19 в отсутствии бурового раствора, в результате чего в керноприемник поступает керн 20, в периферии которого отсутствует фильтрат РВО. Это обстоятельство исключает диффузионно-капилярный обмен между периферией и сердцевиной колонки керна 20 в процессе дальнейшего бурения на длину рейса и подъема на поверхность, благодаря чему повышается информативная ценность керна 20, поскольку в его центральной зоне будет сохраняться пластовое значение коэффициента остаточной водонасыщенности Ков.

Незначительное количество шлама, образовавшегося при срезе припуска А, будет вымываться в скважину из керноприемного отверстия 11 изолирующим агентом 19, вытесняемым из керноприемника поступающим керном 20.

В процессе бурения с отбором керна 20 заявляемая бурголовка совершит десятки тысяч оборотов относительно неподвижного стакана 15 и его уплотнительных колец 17, осуществляя процесс трения между кольцами 17 и втулкой 13, однако, благодаря тому, что твердость материалов этих деталей равна, интенсивного абразивного износа втулки 13 в зоне ее контакта с кольцами 17 происходить не будет, что исключит образование во втулке 13 выработок в виде кольцевых канавок в зоне контакта и предотвратит расширение упругодеформируемых уплотнительных колец 17 с увеличением зазоров в местах разрезов. Тем самым исключается переток некоторой части бурового раствора из полости 9 корпуса 1 в полость керноприемного отверстия 11 и возможная фильтрация РВО в керн 20, чем повышается информативная ценность керна 20, поскольку в его центральной зоне будет сохраняться пластовое значение коэффициента остаточной водонасыщенности Ков.

Одновременно с этим будет повышена эксплуатационная долговечность заявляемой бурголовки, поскольку отсутствие износа в месте контакта уплотнительных колец 17 с втулкой 13 исключит переток бурового раствора, керн 20 не будет «загрязнен» его фильтратом, качество керна 20 будет сохранено и, следовательно, будет отсутствовать отбраковка заявляемой бурголовки ввиду износа и замены ее на новую.

Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемой бурголовки обеспечивает повышение качества отобранного керна 20 и ее эксплуатационную долговечность по сравнению с аналогом и прототипом благодаря тому, что:

- кернообразующие резцы 5, закрепленные в лопастях 3, при вращении бурголовки описывают окружность, диаметр D₁ которой больше диаметра Dк выбуриваемого керна 20 на 5…10 мм. За счет этого фильтрат РВО успеет проникнуть в периферию колонки керна 20 только на величину этого припуска, не загрязняя керн 20 номинального диаметра;

- заявляемая бурголовка содержит дополнительные финишные кернообразующие резцы 21, которые при вращении бурголовки описывают окружность с диаметром, равным диаметру Dк выбуриваемого керна 20, и неподвижно установлены в керноприемном отверстии 11 выше торцевых канавок 10, где отсутствует контакт керна 20 с буровым раствором, поскольку полость керноприемного отверстия 11 до торцевых канавок 10 бурголовки заполнена изолирующим агентом 19, исключающим попадание бурового раствора в зону керноприемного отверстия 11;

- дополнительно содержит металлическую втулку 13, неподвижно закрепленную в цилиндрической расточке 12 и взаимодействующую с установленным в ней стаканом 15, при этом твердость материала втулки 13 соответствует твердости материала разрезных уплотнительных колец 17. Тем самым исключается износ втулки 13 и образование в ней выработок в виде кольцевых канавок, что предотвратит расширение упругодеформируемых уплотнительных колец 17 с увеличением зазоров в местах разрезов. Благодаря этому исключается переток некоторой части бурового раствора из полости 9 корпуса 1 в полость керноприемного отверстия 11 и возможная фильтрация РВО в керн 20;

- отсутствие износа втулки 13 увеличивает эксплуатационную долговечность заявляемой бурголовки, поскольку не требует ее замены.