Устройство для кольматации стенок скважины

 

Использование: для кольматации стенок скважины. Сущность изобретения: в полом корпусе с присоединительными элементами в верхней и нижней частях для встраивания в бурильную колонну над долотом размещен винтообразный лопастной завихритель. Лопасти завихрителя совмещены с верхними кромками направляющих спиралей, а нижними кромками расположены на уровне входов в соответствующие сопла. Длина лопастей завихрителя удовлетворяет выражению, приведенному в описании изобретения. 3 ил.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к устройствам для кольматации стенок скважины.

Известно устройство для кольматации стенок скважины [1]. Недостатком этого устройства является низкая эффективность кольматации в высокопроницаемых трещинно-кавернозных породах.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для кольматации стенок скважины, устанавливаемое над буровым долотом с соплами [2] . Это устройство имеет несовершенную конструкцию, что не позволяет при работе создать прочный кольматационный слой в высокопроницаемых трещинно-кавернозных породах, требующих для создания прочного кольматационного слоя крупного кольматанта и высокого содержания кольматанта в растворе.

Цель изобретения - повышение эффективности изоляции высокопроницаемых пластов за счет обработки стенок скважины грубодисперсным кольматантом.

Это достигается тем, что устройство для кольматации стенок скважины, устанавливаемое над буровым долотом с соплами, снабжено расположенными винтообразно на внутренней поверхности корпуса сужающимися к входу в сопло направляющими спиралями для кольматанта, каждая из направляющих спиралей совмещена верхней своей кромкой с соответствующей полостью завихрителя, а нижней кромкой расположена на уровне входа в соответствующее сопло, при этом завихритель выполнен винтообразным, а длина его лопастей удовлетворяет выражению l = , (1) где r-+1)-2 - (2) К_с - требуемая концентрация твердой фазы в потоке бурового раствора, истекающем из сопла устройства, доли единицы; r_c - радиус выходного отверстия сопла, м; V_c - скорость истечения бурового раствора из сопла, м/с; К_о¹ - начальная концентрация твердой фазы в буровом растворе в долях единицы; r_k - радиус осевого отверстия устройства, м; Т - время движения бурового раствора в осевом отверстии устройства до полной сепарации частиц твердой фазы с заданным минимальным диаметром d_м; - высота винтообразной стенки желоба, м;
- динамическая вязкость бурового раствора, Па^.с;
_т - плотность твердой фазы, кг/м³;
- угловая скорость вращения лопастей завихрителя, 1/с.

На фиг. 1 изображено предложенное устройство; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.

Устройство устанавливают в компоновку бурильного инструмента над долотом с соплом.

Устройство работает следующим образом.

Корпус 1 соединяется с валом турбобура или колонной бурильных труб и приводится ими во вращение. Подаваемый буровыми насосами рабочий агент (буровой раствор) на входе в осевое отверстие устройства за счет жестко соединенного с корпусом лопастного завихрителя 2 приобретает вихревое движение. Так как лопасти завихрителя выполнены винтообразными, то за счет этого происходит усиление завихряющего эффекта и увеличивается скорость движения потока винтовой траектории. Лопасти завихрителя сообщают рабочему агенту центробежное ускорение, которое будет тем больше, чем больше скорость вращения инструмента и интенсивность закручивания лопастей по винтовой линии. За счет центробежных сил происходит дифференциация (разделение) частиц твердой фазы (кольматанта) в рабочем агенте (буровом растворе) по радиусу потока. Причем в осевой части потока будет двигаться мелкий кольматант, а к периферийной части потока крупностью частиц будет возрастать. Кольматант крупных фракций будет опускаться по внутренней стенке корпуса и, попадая в сужающийся желоб, по нему будет стремиться вместе с потоком к рабочему соплу 8.

За счет сужения желоба концентрация кольматанта в пристенном потоке рабочего агента будет возрастать. В рабочее сопло 8 будет поступать рабочий агент с высокой концентрацией крупного кольматанта, что значительно усилит эффект кольматации при вскрытии бурением высокопроницаемых трещинно-кавернозных пластов. Фракционный состав кольматанта, а также и его концентрация в рабочем потоке, поступающем в сопло, регулируется высотой стенок желоба и длиной лопастей завихрителя.

Так как винтообразная стенка желоба является органическим продолжением лопасти завихрителя, а с другой стороны желоб ограничен стенкой, начинающейся у противоположной лопасти и заканчивающейся у входа в сопло 8, то потери грубодисперсного (крупного) кольматанта сведены к минимуму.

Высота лопастей завихрителя должен быть такой, чтобы обеспечивать в потоке бурового раствора, истекающего из сопла 8, концентрацию твердой фазы не менее значения равного К_с.

Пусть начальная концентрация частиц твердой фазы диаметром d_i в буровом растворе, поступающем на вход в осевом отверстии кольматирующего устройства, задана соотношением
d₁ - m₁,%
d₂ - m₂,%
d₃ - m₃,%
.....

d_k - m_k,%
Радиус осевого отверстия кольматирующего устройства равна r_k. Лопасти завихрителя и основной стенки желоба (стенка 5), которая собирает сепарированные частицы твердой фазы из пристенного слоя в осевом отверстии и направляет их в сопло, выполнены в виде винтообразной закрученной плоскости, перпендикулярной стенке корпуса устройства и имеющей высоту .

Расход жидкости, поступающей на вход в кольматирующее устройство, составляет q₀. Очевидно, что скорость потока в любой точке осевого устройства одинакова и равна V_o
V₀= , (1)
где d_к = 2r_k, Если на входе в кольмататор в верхней части корпуса бесконечно тонкий поперечный слой радиусом r_k, концентрация твердой фазы в этом случае будет равна
K₀= 0,01m_i (2) При полной сепарации твердая фаза будет занимать площадь равную
S_T = K_o П r_k² . (3) Если эта твердая фаза равномерно распределяется в радиальном сечении в пристенном слое в виде кольца толщиной , то площадь, занимаемую твердой фазой, можно выразить уравнением
S_T = П r_k² - П r_n², (4) где r_n - радиус пространства в осевом отверстии устройства, занимаемого чистой жидкостью (жидкостью без твердой фазы). Приравнивая выражения (3) и (4), получим
K_or_k² = r_k² - r_n², (5) отсюда r_n= r . (6) Тогда толщина кольца, занимаемого по периферии осевого отверстия полностью сепарированной твердой фазой, будет равна
= r_k-r_n= r1- (7) Рассчитаем высоту лопастей устройства, которые обеспечат при прохождении потока через осевое отверстие полную сепарацию частиц твердой фазы диаметром, большим диаметра некоторой минимальной частицы d_m = min {d_i}, где = 1,2,3...j. Искомую высоту можно рассчитать из предложения, что любая твердая частица наименьшего диаметра dм попадает за время движения по вертикали вниз на периферию в слой .

Выбираем ось Z, совпадающую с осью устройства. На твердую частицу, движущуюся вниз в потоке в радиальном сечении, будет действовать сила вязкостного трения F_тр и центробежная сила F_ц.

Очевидно, что F_тр = , (8) где - коэффициент вязкостного трения;
- скорость движения частицы в радиальной плоскости.

Коэффициент вязкостного трения можно вычислить по формуле Стокса
F_тр= 3Пd (9)
Из выражений (8) и (9) видно, что
=3Пd_м , (10) где - динамическая вязкость жидкости, Па^.с.

Центробежную силу можно выразить следующим образом:
F_ц= m²r = Пd³_мт²r (11) где m - масса твердой частицы, кг;
_т - плотность твердой фазы, кг/м³;
- угловая скорость вращения лопастей, 1/с;
r - радиальная координата расположения частицы твердой фазы, м. Обозначив через , для координаты r получим уравнение
d³_мт²r = 3d_м (12) Разделив переменные, получим
= dt (13)
Интегрируя выражение (13), получим
ln^r/o= t , (14) для решения уравнения (14) воспользуемся разложением в ряд функции ln(r+1)=lnr + + + 5⁺... (15) справедливом при r > 0.

Отсюда получим
lnr = ln(r+1)-2 (16) Ограничиваясь тремя первыми членами разложения (16), запишем выражение (14) в виде
ln(r_к-+1)-2 + 2 = T ,
(17) где Т - время движения частицы минимального диаметра d_м в радиальной плоскости до попадания в слой .

Решив выражение (17) относительно Т, получим
T = ln(r_к-+1)-2 - , (18) Отсюда следует, что для получения полной сепарации твердой фазы размером частиц не менее d_м длина лопастей кольмататора должна быть равной
l = V_oT . (19) Тогда, предполагая, что средняя концентрация твердой фазы в тонком кольцевом слое толщиной пропорциональна фактической высоте лопастей l, найдем фактическую концентрацию твердой фазы в этом кольце после выхода потока из радиального сечения в плоскости окончания лопастей:
K₁= (20) Тогда площадь части кольца толщиной , занимаемого твердой фазой, будет равна
S = K₁(Пr_k² - Пr_n²), (21) С учетом выражения (5) формула (21) примет вид
S = П K₁K_o'r_k² , (22) где K_o' - исходная концентрация в буровом растворе твердой фазы диаметром частиц не менее d_м в долях единицы.

Так как устройство для кольматации пород содержит два сопла, то в каждое из них будет поступать твердая фаза из кольца с занимаемой в этом кольце площади
S₁= = K₁K¹_or²_к (23) Объем твердой фазы, поступающей из кольца в единицу времени в каждое из сопел, будет равен q_т.ф.= S₁V_o= K₁K¹_oV₀r²_к (24) Расход жидкости через сопло составит
q_c = V_c П r_c² . (25) Тогда содержание твердой фазы в потоке, поступающем в сопло, составит K_c= = = (26) Так как из сопла должен поступать буровой раствор с заданной концентрацией твердой фазы, равной К_с, то исходная концентрация твердой фазы в кольце , обеспечивающая требуемую концентрацию твердой фазы в потоке раствора, поступающем из сопла, должны быть
K₁= (27) С учетом выражений (20) и (27) получим
l = (28) Выражение (28) позволяет определить длину лопастей устройства, которая обеспечит при исходной концентрации К_о¹ в буровом растворе твердой фазы размером частиц не менее диаметра d_м и высоте стенки желоба требуемую концентрацию твердой фазы К_с в истекающем из сопла потоке.

Определим начальную радиальную координату r_i частицы твердой фазы диаметром d_i, которая сможет попасть в слой при заданных характеристиках устройства. Для этого воспользуемся уравнением (13) для частиц диаметром d_i (i = 1,2,3...,K).

Интегрируя (13), получим
lnr= t , (29) где t₀= .

Из равенства (29) получим
ln = (30) Очевидно, что все частицы диаметра d_i попадут в кольцо толщиной , если их начальная радиальная координата будет удовлетворять условию
r = r_i= (r_к-)l (31) при координате Z = 0.

Экономический эффект от внедрения изобретения обусловлен отсутствием поглощения бурового раствора в высокопроницаемые при вскрытии их бурением; улучшением качества вскрытия и соответственно снижением времени освоения скважин; снижением содержания твердой фазы в буровом растворе, поступающем на забой скважины, увеличением механической скорости бурения; отсутствием необходимости вводить в буровой раствор грубодисперсный кольматант.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОЛЬМАТАЦИИ СТЕНОК СКВАЖИНЫ, содержащее полый корпус с радиально расположенными соплами и присоединительными элементами в верхней и нижней частях для встраивания в бурильную колонну над долотом и лопастной завихритель, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности изоляции высокопроницаемых пластов путем обработки стенок скважины грубодисперсным кольматантом, оно снабжено расположенными винтообразно на внутренней поверхности корпуса сужающимися к входу в сопло направляющими спиралями для кольматанта, каждая из направляющих спиралей совмещена верхней своей кромкой с соответствующей полостью завихрителя, а нижней кромкой расположена на уровне входа в соответствующее сопло, при этом завихритель выполнен винтообразным, а длина его лопастей удовлетворяет выражению
l = ,
где r-+1)-2 -
l - длина лопасти завихрителя (расстояние между нижней и верхней кромками по высоте), М;
K_с - требуемая концентрация твердой фазы в буровом растворе, истекающем из сопла устройства, доли единицы;
r_с - радиус выходного отверстия сопла, м;
v_с - скорость истечения бурового раствора из сопла, м/с;
K₀¹ - начальная концентрация твердой фазы в буровом растворе, доли единицы;
r_к - радиус осевого отверстия устройства, м;
T - время движения бурового раствора в осевом отверстии устройства до полной сепарации частиц твердой фазы с заданным минимальным диаметром d_м;
- высота направляющей спирали, м;
- динамическая вязкость бурового раствора, Па с;
_т - плотность твердой фазы, кг/м;
- угловая скорость вращения лопастей завихрителя, 1/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3