Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для углубления забоя скважины

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может найти применение при углублении забоя скважины в процессе её эксплуатации с возможностью отбора керна.

Известно устройство для очистки забоя скважины (патент RU № 2097531, МПК Е21В 37/00, опубл. 27.11.1997 в бюл. № 33), включающее корпус, перегородку с центральным каналом, перекрытым запорным механизмом и разделяющим корпус на воздушную камеру и камеру-ловушку, и кабельную головку. Устройство снабжено сбрасываемым с помощью электропривода грузом и подпружиненным бойком, расположенным над запорным механизмом. Запорный механизм выполнен в виде диафрагмы, разрушаемой подпружиненным бойком под действием груза. Подпружиненный боек выполнен с возможностью закрытия воздушной камеры по окончании всасывания в нее забойного шлама. Торец подпружиненного бойка, разрушающий диафрагму, выполнен скошенным под углом.

Недостатками устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей (электропривод, запорный механизм, кабельная головка, подпружиненный боёк и т.д.);

- во-вторых, высокая себестоимость устройства, связанная с наличием электропривода и технологически сложных в изготовлении деталей (запорного механизма, подпружиненного бойка);

- в-третьих, низкая надёжность работы, обусловленная тем, что для срабатывания устройства необходимо с помощью электропривода сбросить груз, поэтому существует вероятность несрабатывания устройства.

Известно устройство для очистки забоя от посторонних предметов (патент ПМ RU № 158017, МПК Е21В 37/00, опубл. 20.12.2015 в бюл. № 35), включающее полый корпус, заглушенный плунжер, заведенный внутрь полого корпуса, пружину и кольцевой буртик. Пружина размещена внутри полого корпуса. Заглушенный плунжер подпружинен вверх от полого корпуса. Нижний торец полого корпуса оснащен зубчатыми насечками. В полом корпусе выше зубчатых насечек выполнен кольцевой буртик, ограничивающий осевое перемещение заглушенного плунжера вниз. Выше кольцевого буртика в полом корпусе выполнены сквозные пазы, в которых установлен лепестковый кернователь, образующий с заглушенным плунжером приемную камеру. Заглушенный плунжер имеет возможность сжатия пружины и осевого перемещения вверх относительно полого корпуса при контакте с посторонними предметами, находящимися на забое. Устройство обеспечивает извлечение посторонних предметов с забоя скважины с одновременным отбором керна за одну спуско-подъемную операцию.

Недостатками устройства являются:

- низкая надежность работы устройства, связанная с высокой вероятностью заклинивания лепестков кернователя поворотного типа при отрыве керна;

- низкое качество отбираемого керна без предварительной очистки забоя скважины от шлама, песка, грязи и т.д.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для очистки забоя скважины (патент RU № 2083805, МПК Е21В 37/00, опубл. 06.09.1994 г.), включающее полый корпус с направляющей втулкой в его верхней части, заведенный через направляющую втулку внутрь корпуса шток, соединенный с ним поршень, установленный на нижнем конце корпуса приемный клапан и размещенную на штоке пружину. Поршень и шток выполнены в виде единого полого заглушенного с нижнего торца плунжера с наружным диаметром менее внутреннего диаметра корпуса. Верхний конец плунжера соединен с нижним открытым концом колонны труб, а в боковых стенках, заведенных в корпус нижней части плунжера, выполнены радиальные сквозные отверстия. На наружной поверхности, находящейся вне корпуса верхней части плунжера, выполнен кольцевой буртик. Пружина установлена между верхним торцом корпуса и кольцевым буртиком плунжера в состоянии предварительного сжатия. Корпус в его нижней части над приемным клапаном выполнен разъемным и введен в корпус приемного клапана с возможностью осевого перемещения. На наружной поверхности корпуса выполнен упорный буртик, между которым и верхним торцом корпуса приемного клапана размещено пакерное уплотнение с упором на забой.

Недостатками устройства являются:

- во-первых, низкая надёжность работы, так как пружина, размещенная на плунжере, находится вне корпуса и не защищена от воздействия внешних факторов, поэтому при приложении к ней механического усилия из вне, например обвалов при контакте со стенками скважины или металлическими предметами, находящимися в скважине, пружина имеет возможность перегнуться, сломаться, что выводит устройство из строя;

- во-вторых, ограниченные функциональные возможности, так как из-за пакерного уплотнения устройство не позволяет углубить забой скважины с извлечением посторонних предметов (шлама, песка, металла) с забоя скважины и с отбором керна за одну спуско-подъёмную операцию, вследствие наличия в конструкции устройства заглушенного снизу плунжера. Кроме того, находящиеся на забое скважины песок, шлам, гряз и посторонние предметы, такие как сухари, челюсти, шарошки препятствуют отбору керна за один спуск устройства в скважину;

- в-третьих, возможны препятствия при углублении забоя, так как в процессе проведения работ внутрь заглушенного плунжера попадают шлам, песок и т.д., а также посторонние предметы, типоразмер которых ограничен радиальными сквозными отверстиями диаметрами 10–15 мм, выполненными в заглушенном плунжере. Посторонние предметы, имеющие размер больше диаметра радиальных сквозных отверстий, такие как сухари, челюсти, шарошки не имеют возможности попасть внутрь заглушенного плунжера через радиальные сквозные отверстия, а значит, не извлекаются из скважины и не позволяют углубить забой скважины;

- в-четвёртых, низкая эффективность работы устройства, связанная с несовершенной конструкцией приёмного клапана, подпружиненного снизу, а также отсутствие герметизирующего уплотнительного кольца, что не обеспечивает герметичность при закрытии и приводит к выпадению обратно на забой шлама, песка, металла в процессе подъёма устройства.

Техническими задачами являются повышение надёжности работы устройства, расширение функциональных возможностей за счёт углубления забоя скважины одновременно с очисткой забоя и отбором керна за одну спуско-подъёмную операцию и эффективности работы устройства, а также безпрепятственное углубление забоя скважины.

Поставленные технические задачи решаются устройством для углубления забоя скважины, включающим полый корпус, плунжер, размещённый внутри полого корпуса, пружину, кольцевой буртик и клапан.

Новым является то, что плунжер сверху оснащен перегородкой, а ниже перегородки плунжер оснащён клапаном, выполненным в виде седла и герметизирующей тарелки с направляющим штоком, причём направляющий шток сверху герметично вставлен в перегородку плунжера, а тарелка подпружинена от перегородки, при этом снизу полый корпус оснащён забойно-кольцевой фрезой, выше которой в полом корпусе выполнен кольцевой буртик, причем выше кольцевого буртика в полом корпусе выполнена внутренняя кольцевая выборка, в которой установлен лепестковый кернорватель, причём внутри плунжер оснащён приёмной камерой, разделённой клапаном на верхнюю и нижнюю части, причём усилие сжатия пружины клапана меньше усилия сжатия пружины полого корпуса, при этом диаметр d тарелки клапана меньше внутреннего диаметра D плунжера в два раза, а седло клапана выполнено под конус, сужающийся снизу вверх с углом конусности 130°, причём в транспортном положении пружина размещена внутри полого корпуса и поджимает плунжер от перегородки к полому корпусу, а снизу плунжер взаимодействует с кольцевым буртиком полого корпуса, ограничивающим осевое перемещение плунжера вниз, при этом лепестки кернорвателя принудительно подпружинены радиально наружу плунжером в кольцевой выборке полого корпуса, а в рабочем положении плунжер имеет возможность ограниченного осевого перемещения вверх относительно полого корпуса и освобождения лепестков кернорвателя от взаимодействия с плунжером и их радиального сжатия внутрь.

На фигурах 1-3 схематично и последовательно в действии изображено предлагаемое устройство для углубления забоя скважины.

Устройство для углубления забой скважины (фиг. 1) включает полый корпус 1, плунжер 2, установленный внутрь полого корпуса 1. Плунжер 2 имеет внутренний диаметр D, например, равный 100 мм.

Плунжер 2 сверху оснащен перегородкой 3, жёстко закреплённой с помощью сварного соединения. Ниже перегородки 3 плунжер 2 оснащён клапаном 4, выполненным в виде седла 5 и герметизирующей тарелки 6 с направляющим штоком 7. Направляющий шток 7 сверху герметично посредством уплотнения 8, вставлен в перегородку 3 плунжера 2, а тарелка 6 подпружинена пружиной 9 вверх от перегородки 3. Тарелка 6 оснащена уплотнительным кольцом 10 из резины NBR, что обеспечивает её герметичную посадку на седло 5 клапана 4.

Уплотнительные кольца 8 и 10 из резины NBR имеют высокую устойчивость к набуханию по отношению к бензолам, обладают маслостойкостью и износостойкостью к маслам и жирам. Материал резиновых колец 8 и 10 – резина NBR, Perbunan.NBR (Nitrile Butadiene Rubber) - бутадиен-нитрильный каучук выпускается по ГОСТ 18829-73.

Снизу полый корпус 1 с помощью резьбового соединения оснащён забойно-кольцевой фрезой 11. Выше забойно-кольцевой фрезы 11 в полом корпусе 1 выполнен кольцевой буртик 12. Используют любую известную конструкцию забойно-кольцевой фрезы, например, выпускаемую ООО «Буровой резерв» (Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа). Выше кольцевого буртика 12 в полом корпусе 1 выполнена внутренняя кольцевая выборка 13, в которую установлен лепестковый кернорватель 14. В качестве лепесткового кернорвателя 14 используют кернорватель лепесткового типа любого известного производителя, например, управления нефтегазового снабжения (Российская Федерация, г. Екатеринбург).

Внутри плунжер оснащён приёмной камерой, разделённой клапаном 4 на верхнюю 15 и нижнюю 16 части, причём усилие сжатия пружины 9 клапана 4 меньше усилия сжатия пружины 17 полого корпуса 1. Диаметр d тарелки 6 клапана 4 меньше внутреннего диаметра D плунжера 2 в два раза.

Внутренний диаметр плунжера 2 равен D = 100 мм.

Тогда диаметр тарелки 6 клапана 4 равен d = 100 мм/2 = 50 мм.

Седло 5 клапана 4 выполнено под конус 18, сужающийся снизу вверх с углом конусности 130°.

В транспортном положении пружина 17 размещена внутри полого корпуса 1 и поджимает сверху плунжер 2 от перегородки 3 к полому корпусу 1, а снизу плунжер 2 взаимодействует с кольцевым буртиком 12 полого корпуса 1, ограничивающим осевое перемещение плунжера 2 вниз, при этом лепестки 19 кернорвателя 14 принудительно подпружинены радиально наружу плунжером 2 во внутренней кольцевой выборке 13 полого корпуса 1 с возможностью сжатия и захвата керна при осевом перемещении плунжера 2 вверх. В рабочем положении плунжер 2 имеет возможность ограниченного осевого перемещения вверх относительно полого корпуса 1 и освобождения лепестков 19 кернорвателя 14 от взаимодействия с плунжером 2 и их радиального сжатия внутрь.

Устройство работает следующим образом.

Устройство, как показано на фигуре 1, на устье скважины присоединяют к нижнему концу колонны бурильных труб 20 и спускают в скважину. За 8 м до достижения забоя скважины спуск бурильной колонны останавливают.

На устье скважины монтируют нагнетательную линию насосного агрегата к заколонному пространству скважины (на фиг. 1-3 не показано).

В качестве насосного агрегата применяют любой насос, используюшийся при промывке скважин, например цементировочный агрегат ЦА-320 производства Уральского завода спецтехники (Российская Федерация, г. Челябинск).

После чего включают насосный агрегат и вызывают циркуляцию, обратной промывкой, т.е. закачкой технологической жидкости, например сточной воды плотностью 1100 кг/м³ в заколонное пространство (на фиг. 1–3 не показано) и выходом технологической жидкости по колонне бурильных труб 20 (фиг. 1). Далее колонна бурильных труб 20 спускается с циркуляцией жидкости со скоростью 0,1 м/с.

По мере спуска колонны бурильных труб давление закачки увеличивается, что визуально отражается на манометре насосного агрегата, при этом открывается клапан 4 (фиг. 2). Например, при давлении 5,0 МПа тарелка 6 и направляющий шток 7 поднимаются, сжимая пружину 9. В результате шлам, песок, металл, т.е. посторонние предметы свободно попадают через седло 5 клапана 4, кольцевой зазор, образованный между внутренним диаметром D = 100 мм плунжера 2 и тарелкой 6 клапана 4 диаметром d = 50 мм в верхнюю часть 15 приёмной камеры.

По мере спуска достигают забой скважины, о чём свидетельствует разгрузка колонны бурильных труб 20 на забой скважины, т.е. происходит резкое снижение веса на величину веса бурильной колонны труб, например 200 кН, что визуально отображается на показании индикатора веса. После этого циркуляцию технологической жидкости обратной промывкой прекращают, поэтому давление в верхней части 15 приёмной камеры снижается, а за счёт возвратной силы пружины 9 тарелка 6 и направляющий шток 7 опускаются, тарелка 6 с уплотнительным кольцом 10 герметично садится на седло 5 клапана 4 (фиг. 3). В результате клапан 4 закрывается.

На устье скважины демонтируют нагнетательную линию насосного агрегата с заколонного пространства скважины.

Затем на устье скважины устанавливают гидравлический ротор для вращения колонны бурильных труб 20. В качестве ротора может применяться ротор любой известной конструкции, например, гидравлический ротор производства «Машзавода» (Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Ишимбай).

На устье скважины ставят контрольную отметку мелом на колонне бурильных труб 20. После чего запускают ротор, вращающий колонну бурильных труб 20. Затем с устья скважины к колонне бурильных труб 20, а соответственно и к устройству, прикладывают осевую нагрузку, равную 10,0–50,0 кН = 1,0–5,0 т.

Забойно-кольцевая фреза 11, находящаяся на конце полого корпуса 1 под действием осевой нагрузки и вращения колонны бурильных труб 20 вбуривается в породу забоя скважины, при этом начинается углубление забоя скважины.

По мере углубления забоя происходит колонковое выбуривание породы пласта (керна). Керн 21 попадает в нижнюю часть 16 приёмной камеры и воздействует на седло 5 клапана 4, после чего плунжер 2 поднимается и сжимается пружина 17. Углубление в забой скважины фиксируют по перемещению контрольной отметки на колонне бурильных труб 20 (фиг. 1, 2, 3). Величина углубления зависит от длины L нижней части 16 приёмной камеры (от клапана 4 до буртика 12 полого корпуса) и подбирают опытным путём в зависимости от необходимой глубины углубления забоя и высоты керна 21, например, равным L = 0,5 м. Поэтому, в определённый момент, когда контрольная отметка на колонне бурильных труб 20 на устье скважины перемещается вниз на 0,5 м снимают осевую нагрузку на колонну бурильных труб 20 и её вращение прекращают.

В результате перемещения бурильной колонны 20 вниз на 0,5 м плунжер 2 поднимается выше кольцевого буртика 12 в пределах внутренней кольцевой выборки 13 полого корпуса 1. В результате лепестки 19 кернорвателя 14, принудительно подпружиненные радиально наружу плунжером 2 во внутренней кольцевой выборке 13 полого корпуса 1, освобождаются, сжимаются радиально внутрь, срезая и захватывая керн 21 (фиг. 3) от выпадения из нижней части 16 приёмной камеры.

После чего колонну бурильных труб 20 с устройством извлекают на устье скважины.

После подъёма устройства производят разборку, извлечение керна, ревизию и сборку устройства для последующего проведения работ.

В предлагаемом устройстве пружина 17, установлена внутри полого корпуса 1 и предохранена от воздействия внешних факторов: от коррозии агрессивными средами, а также от механических воздействий, что исключает перегибы и поломки пружины. Это позволяет повысить надёжность работы устройства и ресурс наработки до отказа.

Устройство конструктивно снабжено приёмной камерой, разделённой на верхнюю 15 и нижнюю 16 части, что позволяет произвести не только очистку забоя скважины от песка, шлама, грязи, извлечь посторонние предметы с забоя скважины в верхнюю часть 15 приёмной камеры, но и качественно без примесей отобрать керн в нижнюю часть 16 приёмной камеры, а также углубить забой за одну спуско-подъёмную операцию. Кольцевой зазор, образованный между внутренним диаметром плунжера 2 и диаметром тарелки 6 клапана 4 кратно больше радиальных сквозных отверстий, описанных в прототипе. Это обеспечивает извлечение с забоя скважины песка, шлама, грязи, а также посторонних предметов как сухари, челюсти, шарошки, препятствующих отбору керна.

Исключаются препятствия, не позволяющие углубить забой скважины, так как гарантированно непосредственно перед углублением забоя внутрь устройства с забоя попадают посторонние предметы, такие как сухари, челюсти, шарошки, а также опытном путём установлено, что при соотношении внутреннего диаметра плунжера 2 к диаметру тарелки 6 клапана 4, равном 2:1 соответственно и угла конусности 130° седла 5 повышается интенсивность всасывания с забоя скважины в верхнюю часть 15 приёмной камеры песка, шлама грязи.

Повышается эффективность работы устройства, связанная с усовершенствованием конструкции клапана 4 в которой тарелка 6 гарантированно обеспечивает герметичность при закрытии и исключает выпадение обратно на забой шлама, песка, металла в процессе подъёма устройства.

Предлагаемое устройство для углубления забоя скважины позволяет повысить надёжность работы устройства, расширить функциональные возможности, повысить качество очистки забоя скважины от посторонних предметов, повысить эффективность работы устройства.