Обурочное устройство

Авторы патента:

E21B7/18 - бурение с помощью струи жидкости или газа с применением или без применения дроби (E21B 7/14 имеет преимущество; гидромониторы как таковые E21C 45/00)

Изобретение относится к нефтегазовой и горной промышленности, преимущественно к устройствам для обуривания напорных труб, пакеров и прихваченного подземного оборудования в обсаженных и необсаженных колоннами скважинах и может быть использовано для колонкового бурения с отбором керна. Наибольшее применение найдет при проведении капитального ремонта скважин в процессе их эксплуатации.

Известные устройства для обуривания имеют следующие недостатки:

- ограниченные функциональные возможности;

- узкая область применения;

- высокая затратность их использования.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение области применения и функциональных возможностей устройства.

Данный технический результат достигается решением технической задачи, направленной на обеспечение разрушения материалов средней и повышенной прочности и ускорение процесса обуривания.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем корпус, выполненный с возможностью прохождения рабочей жидкости и с режущим кольцевым элементом с вставками для разрушения материала и предметов, заполняющих межколонное пространство, корпус состоит из наружной и внутренней трубы, при этом наружная поверхность внутренней трубы выполнена в виде многозаходных шнеко-винтовых нарезок, корпус устройства имеет подвеску, верхняя часть которой выполнена в виде муфты для крепления устройства к колонне напорных труб, наружная поверхность внутренней трубы, выполненная в виде многозаходных шнеко-винтовых нарезок совместно с внутренней поверхностью наружной трубы образуют каналы для прохода рабочей жидкости под давлением, муфта подвески выполнена с каналом для подачи высоконапорной рабочей жидкости и каналом для выхода обратного потока

рабочей жидкости и шлама из внутренней полости устройства в ствол скважины и шлама из внутренней полости устройства в ствол скважины и далее на поверхность, канал для подачи высоконапорной рабочей жидкости снабжен подпружиненным сигнальным клапаном, режущий кольцевой элемент выполнен в виде долота с гидромониторными насадками, чередующимися с вставками для разрушения материалов и предметов, заполняющих межколонное пространство, режущие кромки которых выполнены из твердого материала.

Радиальные размеры кольцеобразного долота выполнены на 2-5 мм в сторону меньше, чем размеры горизонтального сечения кольцеобразного пространства, образующегося между внутренним диаметром скважины или обсадной колонны и наружным диаметром обуриваемого предмета, как минимум одна насадка по всей кольцевой площади установлена с отклонением от вертикальной оси на угол 5-10 градусов наружу от центра и одна внутрь с углом 5-10 градусов, а угол наклона шнеко-винтовых нарезок к вертикальной оси устройства выполнен равным 30-60 градусам, а породоразрушающие элементы могут быть выполнены из технического алмаза.

Использование предлагаемой конструкции обурочного устройства позволяет:

- одновременно с гидравлическим или механическим использовать комбинированные, наиболее эффективные способы разрушения;

- гидромеханический и гидроабразивно-механический, что ускорит проходку в материалах средней твердости и позволит разрушать искусственные камни, породы и материалы высокой твердости.

Это позволит сократить затраты на процесс обуривания, расширит область применения в различных скважинных условиях и функциональные возможности устройства.

Известна буровая гидравлическая насадка, по А.С. СССР №994737 (МПК Е 21 С 45/00), содержащая корпус, водоподвод, струеформирующие сопла, пульпоприемный раструб с эжектором. С целью повышения эффективности гидроразмыва горных пород, насадка снабжена камерой с гидротурбиной, сообщающейся с эжектором, при этом турбина имеет кольцеобразный стакан с внутренними перегородками, в днище которого размещены струеформирующие сопла.

Устройство нельзя использовать для обуривания прихваченных насосно-компрессорных (НКТ) и бурильных труб (БТ) в скважине. Это обусловлено конструкцией низа устройства и водоподвода, позволяющих обуривать небольшие вкрапления в породе до 1-2 мм, но не более.

Устройство используется только в рыхлых горных породах без скальных включений и не предназначено для разрушения материалов средней и повышенной прочности. Это обусловлено тем, что конструкцией устройства не предусмотрено, при необходимости, механическое разрушение материалов и горной породы средней и повышенной прочности.

Известны механические фрезеры кольцевые (ФК ТУ 3668-016-70587573-03), предназначенные для фрезерования прихваченных бурильных и насосно-компрессорных труб в обсаженных скважинах. Фрезер состоит из цилиндрического корпуса, нижний конец которого армирован композиционным материалом из дробленного твердого сплава. На внутренней поверхности корпуса нарезаны винтовые пазы, пересекающие вертикальные каналы, выполненные в теле корпуса. Направление пазов противоположно направлению вращения фрезера.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является межколонный торцевой фрезер типа ФМТЭ (А.Ф.Амиров, С.Т.Овтанов, А.С.Яшин «Капитальный ремонт нефтяных и газовых скважин», Москва, Недра, 1975 г., стр.171-172) предназначенный для фрезерования насосно-компрессорных труб в эксплуатационных колоннах с целью захвата их ловильным инструментом.

Фрезер представляет собой полый цилиндр, по наружной поверхности которого равномерно расположены противозаклинивающие каналы. На нижнем торце корпуса нарезаны зубья, на верхнем - специальная присоединительная резьба бурильных труб, имеющая бурт и определенный натяг для соединения с приемной трубой. Зубья фрезера выполнены в виде пазов, в которые запрессованы твердосплавные пластины со специальной геометрией заточки. Для предохранения внутренней плоскости обсадной колонны от срезания, наружные режущие кромки зубьев фрезера утоплены в корпусе и заплавлены латунью. Зубья армированы высокопрочным и ударостойким твердым сплавом ВК8. Для отвода отработанной стружки из зоны фрезерования и устранения заклинивания на корпусе фреза предусмотрены противозаклинивающие каналы. Перед спуском в скважину фрезер свинчивают с трубой-приемником, внутрь которого входит офрезерованный клубок штанг. Эту трубу присоединяют к колонне бурильных труб. Труба-приемник изготавливается из бурильной трубы с таким расчетом, чтобы внутренний ее диаметр соответствовал внутреннему диаметру фреза. В зависимости от сочетания диаметров обсадных и фрезеруемых труб применяют фрезер соответствующего типоразмера.

Эти известные устройства имеют следующие недостатки:

- ограниченные функциональные возможности;

- узкая область применения;

- высокая затратность их использования.

Это обусловлено тем, что разрушение материала и предметов, заполняющих межколонное пространство (цемент, барит, металл и пр. др.) производится механическим способом истирания, при котором необходимо создавать нагрузку на режущую поверхность до 2-4 тонн и более, что приводит к загибу напорных труб и быстрому истиранию обсадной колонны при их вращении, особенно при обуривании интервала большой мощности (более 20-30 м.). Из практики известно,

что более чем в 60% использования этих устройств, особенно на больших глубинах, приводит к потере герметичности обсадных колонн и большим затратам на ее ликвидацию. В большинстве случаев, особенно на месторождениях, в газе которых содержатся агрессивные компоненты H₂S и СО₂ , после потери герметичности (места истирания колонн достигают 1-3 метров) эксплуатационных колонн, скважины подлежат ликвидации с большим экономическим ущербом для газонефтедобывающих предприятий.

Помимо этого, конструкция устройства не позволяет использовать щадящий гидравлический и эффективный гидроабразивный способы разрушения межколонного материала и предметов.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является расширение области применения и функциональных возможностей устройства.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем корпус, выполненный с возможностью прохождения рабочей жидкости и с режущим кольцевым элементом с вставками для разрушения материала и предметов, заполняющих межколонное пространство, корпус состоит из наружной и внутренней трубы, при этом наружная поверхность внутренней трубы выполнена в виде многозаходных шнеко-винтовых нарезок, корпус устройства имеет подвеску, верхняя часть которой выполнена в виде муфты для крепления устройства к колонне напорных труб, наружная поверхность внутренней трубы, выполненная в виде многозаходных шнеко-винтовых нарезок совместно с внутренней поверхностью наружной трубы образует каналы для прохода рабочей жидкости под давлением, муфта подвески выполнена с каналом для подачи высоконапорной рабочей жидкости и каналом для выхода обратного потока рабочей жидкости и шлама из внутренней полости устройства в ствол скважины и далее на поверхность, канал для подачи высоконапорной рабочей жидкости снабжен подпружиненным сигнальным клапаном, режущий кольцевой элемент выполнен в виде долота с гидромониторными насадками, чередующимися с вставками для разрушения материалом и предметов, заполняющих межколонное

пространство, режущие кромки которых выполнены из твердого материала, радиальные размеры кольцеобразного долота выполнены на 2-5 мм в сторону меньше, чем размеры горизонтального сечения кольцеобразного пространства, образующегося между внутренним диаметром скважины или обсадной колонны и наружным диаметром обуриваемого предмета, как минимум одна насадка по всей кольцевой площади установлена с отклонением от вертикальной оси на угол 5-10 градусов наружу от центра и одна внутрь с углом 5-10 градусов, а угол наклона шнеко-винтовых нарезок к вертикальной оси устройства выполнен равным 30-60 градусам.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что при помощи данного устройства становится возможным использовать как гидравлический и механический способы разрушения материалов, так и комбинированные способы за счет того, что корпус устройства состоит из наружной и внутренней трубы, наружная поверхность которой выполнена в виде многозаходной шнеко-винтовой нарезки, которая совместно с внутренней поверхностью наружной трубы образует каналы для прохода рабочей жидкости под давлением. Имеющаяся в устройстве подвеска выполнена в верхней своей части в виде муфты для крепления устройства к колонне напорных труб с каналом для подачи высоконапорной рабочей жидкости и каналом для выхода обратного потока рабочей жидкости и шлама из внутренней полости устройства в ствол скважины и далее на поверхность, канал для подачи высоконапорной рабочей жидкости снабжен подпружиненным сигнальным клапаном. Режущий кольцевой элемент выполнен в виде долота с гидромониторными насадками, чередующимися с вставками для разрушения материалов и предметов, заполняющих межколонное пространство, разрушающие кромки которых выполнены из твердого материала. Наличие сигнального клапана в устройстве позволяет точно определить подход кромки обуриваемого предмета (НКТ, БТ и др.) к нижней части подвески и вовремя прекратить процесс обуривания по резкому повышению устьевого давления промывочной жидкости и избежать аварийных ситуаций, возможных при использовании известных устройств. Сочетание гидромониторных насадок и вставок для разрушения материалов и предметов, заполняющих межколонное пространство, режущие кромки которых выполнены из твердого материала

обеспечивает эффективный гидромеханический способ разрушения разбуриваемого материала, ускоряет процесс обуривания, снижая затратность, и расширяет область применения. Принятие размеров кольцеобразного долота на 2-5 мм на сторону меньше, чем размеры горизонтального сечения кольцеобразного пространства, образующегося между внутренним диаметром скважины или обсадной колонны если скважина обсажена, и наружным диаметром обуриваемого предмета (НКТ, БТ и пр.) необходимо для предотвращения нарушения целостности обсадной колонны или незапланированного увеличения ствола скважины в горной породе. Установка по всей кольцевой площади как минимум одной насадки с отклонением от вертикальной оси на угол 5-10 градусов наружу от центра и одной во внутрь с углом 5-10 градусов, необходима для полноты разрушения горной породы или техногенного материала (барита, цемента и др). При углах менее 5 градусов не достигается разрушение разбуриваемого материала по всей кольцевой площади, а при углах более 10 градусов возможно преждевременное разрушение обуриваемого предмета, нарушение целостности обсадной колонны или незапланированного увеличения диаметра ствола скважины в горной породе. Выполнение наружной поверхности внутренней трубы в виде многозаходных шнеко-винтовых нарезок позволяет подать рабочую промывочную жидкость под давлением к гидромониторным насадкам по внутритрубному пространству корпуса без значительных гидравлических потерь и одновременно обеспечить прочность и жесткость устройства, необходимые для выполнения обурочных работ. Выполнение угла наклона шнеко-винтовых нарезок к вертикальной оси устройства равным 30-60 градусам обусловлено тем, что при неизменном количестве нарезок при угле менее 30 градусов снижается жесткость и соответственно прочность двухтрубного корпуса, а при угле более 60 градусов увеличиваются гидравлические потери, обусловленные резким увеличением длины каналов для прохода промывочной рабочей жидкости.

На чертеже изображено обурочное устройство.

На фиг.1 - вид спереди с вертикальным разрезом.

На фиг.2 - вид снизу А.

На фиг.3, 4 - вид по Б-Б и В-В.

Устройство состоит из корпуса 1, подвески 2 и долота 3 (фиг.1). Корпус 1 состоит из наружной трубы 4 и внутренней 5, наружная поверхность которой выполнена в виде многозаходных шнеко-винтовых нарезок 6, которые совместно с внутренней поверхностью наружной трубы 4 образует каналы 7 для прохода рабочей жидкости под давлением (воды, раствора, гидроабразивной смеси и т.д.).

Подвеска 2 в верхней части выполнена в виде муфты 8 для крепления устройства к колонне напорных труб (на чертеже не показано), имеет канал 9 для подачи высоконапорной рабочей жидкости и канал 10 для выхода обратного потока рабочей жидкости и шлама из внутренней полости устройства в ствол скважины и далее на поверхность. Канал 9 оборудован подпружиненным сигнальным клапаном 11.

Долото 3 выполнено в виде кольца и имеет гидромониторные насадки 12 и вставки 13, режущие кромки которых изготовлены из твердого материала.

Радиальные размеры кольцеобразного долота принимаются на 2-5 мм на сторону меньше, чем размеры горизонтального сечения кольцеобразного пространства, образующегося между внутренним диаметром скважины или обсадной колонны, если скважина обсажена, и наружным диаметром обуриваемого предмета (НКТ, БТ и пр.).

По всей кольцеобразной площади, как минимум одна насадка установлена с отклонением от вертикальной оси на угол =5÷10° наружу от центра и одна во внутрь с углом =5÷10° (фиг.3 и 4).

Длина внутренней части обурочного устройства принимается на 0,5-1,0 м больше длины обуриваемого предмета для обеспечения возможности проведения затем ловильных работ или отворота предмета (трубы, муфты, переводника и пр.) из прихваченной компоновки.

Устройство работает следующим образом.

Устройство посредством муфты 8 жестко крепится к колонне напорных труб, при роторном способе вращения, или к забойному двигателю (на фиг.1 не показано) и опускают в скважину на заданную глубину. Наземными насосными агрегатами в колонну напорных труб (обычно бурильные трубы; БТ) под избыточным давлении до 12-35,0 МПа нагнетают заданный объем рабочей жидкости (техническая вода, раствор, жидкостно-абразивная смесь и пр.др.),

обычно от 7,0 до 35,0 л/сек и более и придают обурочному устройству вращение не более 60-80 об/мин. Затем медленно подают устройство вниз до соприкосновения с разрушаемой кольцевой поверхностью горной породы, тампонажного камня или иного материала и производят обуривание прихваченного предмета (НКТ, БТ и др.) с нагрузкой на долото до 0,1-0,3 т, но не более 0,5 т.

Рабочая жидкость из напорных труб через канал 9 поступает в каналы 7 и далее в гидромониторные насадки 12, откуда поступает на забой (кольцевая поверхность разрушаемого материала). За счет перепада давления (от 9 до 30 МПа и более) между внутренней частью долота 3 и забоем струи рабочей жидкости разгоняются от 110 до 250 м/сек и более. Ударяясь при таких скоростях о забой скважины, рабочая жидкость быстро разрушает горную породу, тампонажный камень, батитовый и другие осадки. То есть, возникает гидромониторный эффект - разрушение материала струями рабочей жидкости.

Встречающиеся твердые материалы и вкрапления (пирит, доломит, галька и пр.) разрушаются механически вставками 13. То есть используется высокоэффективный комбинированный гидромеханический способ разрушения материала, обеспечивающий большую скорость проходки. При необходимости (наличие металла на забое или материала повышенной прочности) в рабочую жидкость добавляют абразив (кварцевый песок, корунд и пр.) от 30 до 80 г/л. При этом возникает еще более эффективный способ разрушения - гидроабразивно-механический.

При подходе верхней кромки (торцевой поверхности) обуриваемого предмета (трубы) к нижней части подвески 2, она перемещает подпружиненную часть сигнального клапана 11 вверх. В свою очередь клапан 11 частично перекрывает канал 9, что приводит к резкому повышению давления на устье на 3-5 МПа и указывает на окончание процесса обуривания в интервале равным внутренней длине устройства. Вращение и подачу промывочной жидкости прекращают, а обурочное устройство вместе с колонной напорных труб поднимают на поверхность. Затем проводят известные работы по извлечению обуренного предмета. При необходимости процесс повторяют до обуривания предмета на всю длину прихвата.

Пример конкретного исполнения.

В 7-дюймовой эксплуатационной колонне с внутренним диаметром 156,0 мм на глубине 3000 м осталась компоновка из трех 88,9 мм НКТ прихваченная цементным материалом в процессе установки изоляционного моста требуется просчитать конструктивные размеры обурочного устройства для извлечения труб на поверхность. Длина прихваченных труб по реестру изменяется от 9,3 до 3,6 м, поэтому внутреннюю длину устройства принимаем равной 10 м.

Для предотвращения трения и износа корпуса устройства принимаем его наружный диаметр равным 150 мм с зазором между ним и телом колонны равным по 3,0 мм на сторону.

Принимая перепад давления на гидромониторных соплах в корпусе равным 30,0 МПа и используя стальной сплав с пределом текучести =9000 кг/см 2 по общеизвестной формуле (1), определением толщину стенки наружной трубы корпуса:

Где: S - толщина стенки с запасом прочности, в мм;

Дн - наружный диаметр трубы, в мм;

Р - избыточное давление, в кг/см²;

- предел текучести, в кг/см².

Для данных условий толщина стенки составит 6,77 мм, а внутренний диаметр наружной трубы - 136,46 мм.

Далее, учитывая диаметр муфты 88,9 мм НКТ равный 106,2 мм зазор на сторону равный 3,0 мм находим внутренний диаметр внутренней трубы корпуса, который равен 112,2 мм.

Используя формулу (1), определяем наружный диаметр тела внутренней трубы, который будет равен, при толщине стенки 5,69 мм, 123,58 мм. Находим зазор (высоту шнеко-винтовой нарезки) между трубами: (136,46-123,58):2=6,44 мм.

Принимая ширину перегородок шнеко-винтовой нарезки, равной 4,0 мм, осевую нагрузку на долото до 1,0 т и крутящий момент равный 0,7 т, по общеизвестным

формулам определяем и принимаем количество шнеко-винтовых нарезок равное 6 при оптимальном угле =45°.

Вычитывая площадь поперечного сечения металлических шнеко-винтовых перегородок из площади межтрубного пространства, определяем площадь поперечного сечения каналов прохода промывочной жидкости F=26,292 см² - 2,16 см²=24,132 см², что соответствует условному диаметру равному 55,4 мм.

При расходе промывочной жидкости 20,0 л/сек, достаточном для эффективной работы гидромониторных насадок и полного выноса разрушенного цементного камня, скорость промывочной жидкости в межтрубных каналах будет равна 8,33 м. При таких условиях гидравлические потери в устройстве, рассчитанные по общеизвестным формулам, для солевого раствора =1,18 г/см3 будут составлять менее 0,2 МПа и которыми можно пренебрегать при основных гидравлических расчетах потерь в колонне напорных труб и устьевой обвязке.

Использование предлагаемой конструкции обурочного устройства позволяет:

Ориентировочный экономический эффект от использования на скважинах в зависимости от глубины работ и высоты (длины участка) прихвата труб оценен в размере 300-700 тыс.руб. на одну скважинную операцию.

Обурочное устройство, содержащее корпус, выполненный с возможностью прохождения рабочей жидкости и с режущим кольцевым элементом с вставками для разрушения материала и предметов, заполняющих межколонное пространство, отличающееся тем, что корпус состоит из наружной и внутренней трубы, при этом наружная поверхность внутренней трубы выполнена в виде многозаходных шнеко-винтовых нарезок, корпус устройства имеет подвеску, верхняя часть которой выполнена в виде муфты для крепления устройства к колонне напорных труб, наружная поверхность внутренней трубы, выполненная в виде многозаходных шнеко-винтовых нарезок совместно с внутренней поверхностью наружной трубы образует каналы для прохода рабочей жидкости под давлением, муфта подвески выполнена с каналом для подачи высоконапорной рабочей жидкости и каналом для выхода обратного потока рабочей жидкости и шлама из внутренней полости устройства в ствол скважины и далее на поверхность, канал для подачи высоконапорной рабочей жидкости снабжен подпружиненным сигнальным клапаном, режущий кольцевой элемент выполнен в виде долота с гидромониторными насадками, чередующимися с вставками для разрушения материалов и предметов, заполняющих межколонное пространство, режущие кромки которых выполнены из твердого материала, радиальные размеры кольцеобразного долота выполнены на 2-5 мм на сторону меньше, чем размеры горизонтального сечения кольцеобразного пространства, образующегося между внутренним диаметром скважины или обсадной колонны и наружным диаметром обуриваемого предмета, как минимум одна насадка по всей кольцевой площади установлена с отклонением от вертикальной оси на угол 5-10° наружу от центра и одна во внутрь с углом 5-10°, а угол наклона шнеко-винтовых нарезок к вертикальной оси устройства выполнен равным 30-60°.