КОЛОНКОВЫЙ СНАРЯД ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ С ВНУТРЕННЕЙ ПРИЗАБОЙНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ЖИДКОСТИ (патент РФ № 2377387)

РЕФЕРАТ

Изобретение относится к области вращательного бурения скважин, а именно к устройствам, которые за счет принудительного механического расхаживания бурового снаряда создают в его колонковой трубе и скважине обратную внутреннюю призабойную циркуляцию промывочной жидкости, заключающуюся в движении жидкости по замкнутой системе в буровом снаряде без выхода ее на поверхность и повышающую качество керна.

Известен буровой снаряд, содержащий породоразрушающую коронку, колонковую трубу, шаровой клапан, расположенный внутри верхней части трубы поршень со вторым шаровым клапаном и утяжелитель колонковой трубы. Поршень соединен с колонной бурильных труб, и верхняя часть колонковой трубы исполняет роль цилиндра насоса [2]. Известен также снаряд, содержащий колонковую трубу и установленный над ней специальный насос с двумя шаровыми клапанами. Поршень насоса жестко соединен с колонковой трубой, а цилиндр - с колонной бурильных труб [3].

Обратная внутренняя призабойная циркуляция промывочной жидкости для выноса частиц разбуренной породы из-под резцов коронки обеспечивается расхаживанием поршня насоса в колонковом снаряде [2] и цилиндра насоса в колонковом снаряде [3]. Расхаживание осуществляют периодически с помощью лебедки или рычага бурового станка. При этом буровая коронка колонкового снаряда не отрывается от забоя и необходимая осевая нагрузка на нее постоянно поддерживается силой тяжести специального утяжелителя в составе колонкового снаряда.

Буровые колонковые снаряды [2] и [3] работоспособны и повышают процент выхода керна. Однако они громоздкие, массивные, не удобные в обслуживании, требуют больших материальных затрат для их изготовления и обеспечения надежности эксплуатации, так как при работе в зашламованной среде их цилиндры и поршни быстро изнашиваются. Поэтому колонковые снаряды [2] и [3] при бурении производственных скважин не используют.

Известен буровой снаряд, содержащий породоразрушающую коронку, колонковую трубу, переходник под колонну бурильных труб и шаровой клапан, включающий: ниппель с каналом для прохода жидкости и седлом под шар, стальной шар, шламопроводящую трубку с боковыми отверстиями для выхода шлама из снаряда в скважину и ограничитель хода шара вверх [1]. При бурении колонковый снаряд непрерывно вращают с поддержанием на забое нужной осевой нагрузки и периодически расхаживают (поднимают снаряд над забоем и сбрасывают на забой). Вращение, расхаживание колонкового снаряда и передачу на него осевой нагрузки осуществляют при помощи колонны бурильных труб. В процессе расхаживания колонкового снаряда внутри него и в скважине осуществляется циркуляция жидкости.

Предполагается, что во время подъема от забоя колонкового снаряда [1] шаровой клапан всегда закрыт, давление в колонковой трубе уменьшается и в нее перемещается вместе со шламом жидкость из наружного кольцевого зазора между стенками скважины и снаряда. Во время сбрасывания снаряда к забою шар под давлением находящейся в колонковой трубе жидкости поднимается вверх и клапан открывается. При этом основная часть жидкости со шламом движется вверх и через боковые отверстия в шламопроводящей трубке изливается в скважину, а меньшая часть возвращается к забою через кольцевой зазор между керном и внутренними стенками колонковой трубы.

В практике бурения скважин колонковый снаряд [1] известен под названием «снаряд для безнасосного бурения». Наиболее эффективно его применение при бурении скважин, поглощающих промывочную жидкость, и при затруднениях с доставкой к скважинам жидкости. Обязательное условие для бурения колонковым снарядом [1]: в скважине должен находиться столб жидкости высотой, несколько большей высоты снаряда. Такой жидкостью в большинстве случаев является вода. Если в скважине нет грунтовых вод, то в процессе бурения в нее подливают необходимое количество воды. В каждом рейсе при расхаживании снаряда циркулирующая в нем вода обогащается шламом выбуриваемых пород. Поэтому практически бурение осуществляют с использованием естественного раствора плотностью около Простота конструкции, доступность изготовления и экономичность использования колонкового снаряда [1] - главные причины бурения им на производстве скважин любых необходимых диаметров. Большинство скважин колонковым снарядом [1] бурят в неустойчивых породах, используя для этого колонковые трубы диаметрами от 0,108/0,099 до 0,146/0,137 м.

Однако в процессе бурения при расхаживании известного колонкового снаряда [1] поступающий в его колонковую трубу керн испытывает давление находящейся над керном жидкости. Величины этого давления могут быть большими и зависят от конструкции элементов шарового клапана снаряда и соотношения их параметров. Давление жидкости в колонковой трубе над керном препятствует поступлению его в трубу, а отобранный керн не всегда удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям, так как оказывается уплотненным и с нарушенными физико-механическими характеристиками.

При падении снаряда на забой скважины рост давления жидкости в колонковой трубе обусловлен в начале необходимостью подъема шара, затем скоростными сопротивлениями перетоку жидкости из колонковой трубы в шламопроводящую трубку через канал седла клапана. Для уменьшения сопротивлений выходу жидкости из колонковой трубы в снарядах прототипа рекомендуют применять шламопроводящие трубки диаметром 0,033-0,040 м [1, с.290]. При этом диаметр шара составляет 0,026-0,036 м, а диаметр канала седла (ниппеля) шарового клапана 0,022-0,030 м соответственно. Такие диаметры канала седла клапана в 4-5 раз меньше внутреннего диаметра колонковых труб диаметрами от 0,108/0,099 до 0,146/0,137 м.

Скорость движения жидкости через канал клапана пропорциональна отношению в квадрате внутреннего диаметра колонковой трубы к диаметру канала. При малых диаметрах канала эти скорости большие. Например, при падении со скоростью всего 1 м/с снаряда с колонковой трубой диаметрами 0,146/0,137 м скорость течения жидкости через канал диаметром 0,026 м достигает 28 м/с. Одновременно квадрату скорости движения жидкости через канал клапана пропорциональны скоростные местные сопротивления.

Скоростные местные сопротивления определяют по формуле Вейсбаха [например, 4, с.168]

берут из таблиц [например, 6, табл.4-2] в зависимости от отношений площадей: сечения канала седла к сечению колонковой трубы и сечения канала седла к сечению шламопроводящей трубки. При использовании снаряда с каналом седла диаметром d_c =0,026 м, внутренним диаметром шламопроводящей трубки 0,04 м и колонковой трубой диаметрами 0,146/0,137 м величина коэффициента примерно равна 1,5. Скорости движения бурового снаряда при его сбрасывании к забою часто достигают 1,5 м/с. Приняв Полученное значение давления жидкости в колонковой трубе на керн достаточно высокое. Поступающие в процессе бурения в колонковую трубу породы уплотняются и физико-механические свойства их нарушаются.

При подъеме снаряда от забоя для создания разрежения в колонковой трубе над керном и подсоса жидкости со стороны забоя необходимо ускорить закрытие клапана. Для этого необходимо, чтобы шар мгновенно преодолел рекомендуемое в [1] расстояние 0,15 м и перекрыл канал седла. Однако при подъеме снаряда жидкость поступает в колонковую трубу, в первую очередь, через находящиеся ниже шара боковые окна в шламопроводящей трубке, так как этому ничто не препятствует. Этот поток жидкости и малый кольцевой зазор между шаром и стенками шламопроводящей трубки тормозят падение шара малой массы. Поэтому не при каждом подъеме снаряда жидкость поступает в колонковую трубу с забоя через кольцевой зазор между ее стенками и керном и керн в колонковой трубе преждевременно затирается. Из-за этого рейс зачастую прекращают и снаряд поднимают из скважины.

Уменьшить давление жидкости на керн от скоростных сопротивлений выходу жидкости из колонковой трубы через канал седла клапана возможно путем увеличения диаметра канала, соответственно шара и шламоотводящей трубки. Однако при увеличении диаметра шара пропорционально диаметру в кубе увеличивается масса шара. Это неприемлемо, так как увеличивает давление жидкости на керн в колонковой трубе при открытии клапана.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании конструкции керноприемного снаряда, позволяющей увеличить диаметры канала и стального шара клапана при одновременном уменьшении массы шара. Это существенно уменьшает давление жидкости на керн в колонковой трубе при расхаживании снаряда в процессе бурения.

Основной технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении качества керна за счет уменьшения сопротивлений циркуляции жидкости в колонковом снаряде при его расхаживании в процессе вращательного бурения по породам малоустойчивым и малой твердости.

Технический результат изобретения достигается следующим образом. Предлагаемый колонковый снаряд для бурения с внутренней циркуляцией жидкости содержит колонковую трубу с буровой коронкой, переходник под колонну бурильных труб и шаровой клапан, включающий металлический корпус, седло с центральным сквозным каналом для прохода жидкости, шар из нержавеющей стали для перекрытия канала, шламопроводящую трубку с отверстиями в ее боковых стенках для выхода через них жидкости и шлама выбуриваемых пород в скважину.

Отличительные особенности предлагаемого колонкового снаряда состоят в том, что шар выполнен пустотелым, отверстия для выхода жидкости и шлама в скважину выполнены в боковых стенках корпуса клапана, внутренний диаметр корпуса клапана принят равным внутреннему диаметру колонковой трубы, диаметр канала седла клапана и наружный диаметр шара выбраны максимально возможными из условия минимизации сопротивлений выходу жидкости из колонковой трубы и диаметр канала седла клапана определяют из условия равенства площади сечения канала седла и площади сечения кольцевого зазора между шаром и внутренними стенками корпуса клапана по выражению

Предлагаемый колонковый снаряд для бурения с внутренней циркуляцией жидкости состоит из буровой породоразрушающей коронки 1, колонковой трубы 2, корпуса 3 клапана, седла 4 клапана с центральным сквозным каналом для прохода по нему жидкости, стального пустотелого шара 5, боковых отверстий 6 в стенках корпуса клапана для выхода через них шлама из снаряда в скважину, переходника 7 под бурильную колонну труб 8.

Бурение предлагаемым снарядом осуществляют по схеме безнасосного бурения. Колонковый снаряд с шаровым клапаном опускают в скважину на колонне бурильных труб, вращают его и периодически расхаживают. В связи с конструктивными особенностями предлагаемого колонкового снаряда условия циркуляции жидкости в нем при его расхаживании отличаются от условий циркуляции жидкости в снаряде [1] и позволяют повысить качество получаемого при бурении керна, т.е. повысить эффективность бурения.

При подъеме на колонне бурильных труб 8 колонкового снаряда от забоя скважины (фиг.1) шар 5 закрывает канал седла 4, внутри колонковой трубы 2 над керном уменьшается давление жидкости и из наружного кольцевого зазора между стенками скважины и снарядом в колонковую трубу 2 засасывается жидкость. Эта жидкость вовлекает с забоя выбуренные частицы породы, омывает и охлаждает буровую коронку 1. При сбрасывании снаряда к забою скважины (фиг.2) шар 5 под давлением находящейся в колонковой трубе 2 жидкости поднимается вверх и клапан открывается.

Отличия условий циркуляции жидкости при бурении предлагаемым колонковым снарядом следующие. При сбрасывании снаряда на забой в первый момент после открытия канала седла 4 клапана шар 5 поднимается не выше боковых отверстий 6 в стенках корпуса 3 и не доходит до переходника 7, который может выполнять заодно функции ограничителя хода шара вверх. Отличие условий также в том, что после сброса снаряда на забой уже в начале работы буровой коронки 1 на забое шар 5 приспускается вниз и удерживается потоком выходящей из колонковой трубы 2 жидкости на небольшом удалении от седла 4 клапана. При очередном подъеме снаряда от забоя шар 5 из такого положения мгновенно опускается в седло 4 и перекрывает канал клапана. Мгновенному опусканию шара 5 в седло 4 при подъеме колонкового снаряда от забоя способствуют: малое расстояние между шаром и седлом, давление на шар потока жидкости из скважины через находящиеся выше него боковые окна 6 корпуса клапана в колонковую трубу и большая, чем у прототипа, скорость падения шара в жидкости.

Названные отличия обусловлены тем, что в предлагаемом снаряде существенно увеличены: а) диаметр канала седла 4; б) площадь кольцевого сечения между шаром 5 и внутренними стенками корпуса 3 клапана; в) наружный диаметр и скорость падения шара в жидкости при одновременном поддержании необходимой массы шара за счет выполнения его пустотелым.

Увеличение диаметра канала седла 4 и кольцевого зазора между шаром 5 и корпусом 3 клапана уменьшает скоростные сопротивления движению основной части жидкости со шламом из колонковой трубы 2 через канал седла 4, кольцевой зазор между шаром 5 и внутренними стенками корпуса 3 клапана и далее через боковые отверстия 6 в корпусе 3 клапана в скважину. Это существенно уменьшает давление жидкости на керн 9 в колонковой трубе 2 и повышает качество получаемого керна.

Выполнение шара 5 пустотелым позволяет увеличить его наружный диаметр до размеров, необходимых для перекрытия увеличенного диаметра канала седла 4. Массу пустотелого шара 5 при увеличении его наружного диаметра увеличивают до предела, обеспечивающего необходимую и несколько большую, чем у прототипа, скорость падения шара в жидкости. При этом внутренний диаметр шара выбран таким, что удельная масса шара (приходящаяся на единицу площади канала седла 4) меньше, чем у снаряда [1]. Соответственно, меньше давление жидкости на керн в колонковой трубе при открытии клапана и выбуриваемый керн получают лучшего качества.

Возможность выполнения предлагаемого колонкового снаряда с использованием перечисленных отличительных особенностей и достижения заявленного технического результата подтверждаются теоретически.

При сбрасывании колонкового снаряда на забой скважины в колонковой трубе 2 над керном возникает избыточное давление р жидкости, необходимое для открытия шарового клапана и выхода жидкости из колонковой трубы (фиг.3). Давление р создает силу давления F жидкости в колонковой трубе 2 на шар 5 через канал диаметром d_c седла 4 клапана

_М, D и d_c. Принципиально шар может быть изготовлен из металлов различной плотности и полимеров. В зашламованной среде надежнее всего работает шар из нержавеющей стали. Поверхность шаров из более легких металлов и пластмасс при работе в зашламованной среде царапается и они быстро выходят из строя.

Из выражения (9) следует, что давление р уменьшается пропорционально увеличению диаметра d_c канала седла клапана в квадрате. Это хорошо, так как соответствует одной из отличительных особенностей предложенной полезной модели. Однако с увеличением диаметра канала седла соответственно увеличивается диаметр шара (причем D больше d_c). A так как в выражении (9) диаметр шара в кубе, а диаметр канала седла в квадрате, то получается, что с увеличением d_c значение р увеличивается. Но это справедливо при использовании цельного шара. Одна из отличительных особенностей предложенного технического решения в том, что шар выполнен пустотелым. Масса пустотелого шара равна

Подставив (4), (7), (8) и (10) в (5) и решив его относительно p, получают

В предлагаемом колонковом снаряде при закрытии клапана шар погружается в седло на половину своего диаметра. Это обеспечивает устойчивое положение шара в седле в процессе извлечения колонкового снаряда из скважины. Чтобы находящиеся в жидкости частицы шлама не осаждались на поверхности седла и не препятствовали надежному закрытию клапана шаром, седло выполняют с большим наклоном его сферической поверхности. Для этого наружный диаметр D шара превышает диаметр канала d_c седла клапана примерно на 0,006 м

Размеры всех элементов колонкового снаряда в (12) и везде в тексте в метрах.

Диаметр канала d_c выполняют максимально допустимым и разным в зависимости от внутреннего диаметра D_K корпуса клапана и колонковой трубы соответственно. При этом скорость и сопротивления движению жидкости через канал седла минимальные. Рациональный диаметр канала d_c седла клапана определяют из условия, что площади поперечного сечения канала седла и кольцевого зазора между шаром и внутренними стенками корпуса клапана равны или отличаются весьма незначительно. При этом скорость движения жидкости в кольцевом зазоре не будет выше, чем скорость ее выхода из канала седла, шар в процессе бурения опустится близко к седлу и займет положение ниже боковых окон в корпусе клапана (фиг.2). При подъеме снаряда от забоя шар мгновенно опустится в седло из-за малого расстояния между ними, а также под напором жидкости, устремляющейся из скважины в колонковую трубу через находящиеся выше шара боковые окна в корпусе клапана.

Из условия равенства площадей сечения канала седла и кольцевого зазора между шаром и стенками корпуса клапана, а также с учетом соотношения (12) диаметр канала седла клапана определяют из выражения

При уже известном наружном диаметре D шара величина внутреннего диаметра d его влияет на прочность, массу и соответственно скорость падения шара в жидкости, а также величину ее давления в колонковой трубе в процессе падения снаряда на забой и подъема шара при открывании клапана.

Прочность стального шара любого диаметра при безнасосном бурении обеспечивается при толщине стенки более 0,003 м. Скорость падения шара в жидкости зависит от плотности жидкости, массы и размеров шара. Масса пустотелого шара зависит от его наружного и внутреннего диаметров. Чем больше масса шара, тем больше скорость его падения и закрытия клапана.

Скорости падения шарообразных тел в жидкостях и растворах определяют по известной формуле Риттингера [4, с.298; 5, с.248]

<

В колонковом снаряде [1] скорость падения цельнометаллических шаров диаметрами от 0,026 до 0,036 м считается достаточной. Но чем больше скорость падения шара, тем лучше, так как быстрее закрывается клапан. Поэтому в предлагаемом колонковом снаряде скорость падения пустотелого шара в жидкости ограничивают скоростью падения цельнометаллического шара диаметром 0,04 м, для которого

По обоснованным и приведенным выше математическим выражениям вычисляют параметры элементов шарового клапана предлагаемого снаряда с использованием колонковой трубы любого диаметра, необходимого для бурения с внутренней призабойной циркуляцией жидкости.

ПРИМЕР. Определить основные параметры элементов шарового клапана предлагаемого снаряда и сравнить его с прототипом по величине давления жидкости на керн, которое может возникать в колонковых трубах диаметрами 0,108/0,099 м снарядов в процессе их расхаживания. Основные параметры элементов прототипа: диаметр канала седла клапана 0,028 м; диаметр стального цельнометаллического шара 0,036 м.

РЕШЕНИЕ дано со ссылками на полученные математические выражения.

1. Для снаряда с равными внутренними диаметрами D_K =0,099 м колонковой трубы и корпуса клапана по формуле (13) вычисляют диаметр канала седла

2. По выражению (12) или (14) определяют необходимый наружный диаметр шара

D=0,067+0,006=0,073 м

3. Проверяют равенство площадей канала седла и зазора между стенками корпуса клапана и шаром (0,785×0,067 ²)=0,785×(0,099²-0,073²)=0,0035 м².

4. По выражению (18) вычисляют необходимый внутренний диаметр шара

<

5. Для сравнения снарядов предлагаемого и прототипа по качеству керна давление жидкости на керн в колонковых трубах этих снарядов определяют по первым членам справа выражений (11) и (9) соответственно, так как параметры шарового клапана влияют на значения только этого члена. Обозначив давления жидкости по первым членам выражений (9) и (11) через р₁, вычисляют величины давлений на керн в колонковых трубах:

а) прототипа по первому члену справа выражения (9)

В таблице даны конструктивные параметры основных элементов шарового клапана прототипа (отмечен знаком *) и предлагаемого колонкового снаряда и возникающие в процессе бурения ими важные технологические параметры.

Все параметры элементов шарового клапана предлагаемого снаряда и возникающие при бурении им технологические параметры вычислены по приведенным математическим выражениям, которые получены с учетом конструктивных отличительных особенностей предлагаемого снаряда.

Незначительные расхождения в приведенных в таблице значениях площади канала седла и площади кольцевого зазора между внутренними стенками корпуса клапана и шаром обусловлены округлением значений параметров элементов клапана при их вычислениях с точностью до сотых, десятых и даже целых единиц. Однако эти расхождения не существенны и не влияют на эффективность работы предлагаемого колонкового снаряда с вычисленными параметрами. Например, предлагаемый колонковый снаряд уменьшает скоростные сопротивления истечению жидкости из колонковой трубы диаметрами 0,146/0,137 м через канал седла клапана в 96,36 раз по сравнению с прототипом, оснащенным колонковой трубой тех же диаметров. И это при том, что приведенная в таблице площадь канала седла клапана предлагаемого колонкового снаряда с колонковой трубой диаметрами 0,146/0,137 м на 0,000052 м² больше площади кольцевого зазора между внутренними стенками корпуса клапана и шаром.

Как видно из таблицы, увеличение диаметров канала седла клапана и шара, увеличение площади кольцевого зазора между внутренними стенками корпуса клапана и шаром до значения, равного или близкого площади канала седла, выполнение шара пустотелым с внутренним диаметром, вычисляемым по предложенному математическому выражению, позволяют: уменьшить сопротивления открытию клапана и в десятки раз уменьшить скоростные местные сопротивления движению жидкости через канал седла шарового клапана; увеличить скорость падения шара и скорость закрытия клапана.

Использование предлагаемого колонкового снаряда с внутренней циркуляцией жидкости по сравнению с известным колонковым снарядом, принятым в качестве прототипа, при бурении повышает:

а) качество получаемого керна, так как уменьшает давление на него жидкости, находящейся в колонковой трубе снаряда;

б) скорость открытия и закрытия шарового клапана из-за уменьшения гидравлических сопротивлений подъему шара и нахождения его на близком расстоянии от седла клапана при работе буровой коронки на забое скважины;

в) надежность циркуляции жидкости в колонковом снаряде, в том числе между внутренними стенками колонковой трубы и керном, по причине повышения скорости открытия и закрытия шарового клапана;

г) длину рейса в связи с улучшением циркуляции жидкости и уменьшением причин для самопроизвольной затирки керна в колонковой трубе.

Источники информации

1. Волков С.А., Сулакшин С.С., Андреев А.А. Буровое дело. - М.: Недра, 1965, с.287-296, рис.219 (прототип).

2. Волков А.С., Волокитенков А.А. Бурение скважин с обратной циркуляцией промывочной жидкости. - М.: Недра, 1970, с.104-106, рис.41 (аналог).

3. Шолохов Л.Г., Бажутин А.Н. Глубинный насос. А.с. № 185794, опубл. БИ № 18, 1966 (аналог).

4. Маковей Н. Гидравлика бурения. Пер. с рум. - М.: Недра, 1986.

5. Воздвиженский Б.И. Буровая механика. - М.: Госгеолиздат, 1949.

6. Чугаев P.P. Гидравлика. - Л.: Энергия, 1970.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Колонковый снаряд для вращательного бурения с внутренней призабойной циркуляцией жидкости, содержащий колонковую трубу с буровой коронкой, переходник под колонну бурильных труб и шаровой клапан, включающий металлический корпус, седло с центральным сквозным каналом для прохода жидкости, шар из нержавеющей стали для перекрытия канала, шламопроводящую трубку с отверстиями в ее боковых стенках для выхода через них жидкости и шлама выбуриваемых пород в скважину, отличающийся тем, что шар выполнен пустотелым, отверстия для выхода жидкости и шлама в скважину выполнены в боковых стенках корпуса клапана, внутренний диаметр корпуса клапана принят равным внутреннему диаметру колонковой трубы, диаметр канала седла клапана и наружный диаметр шара выбраны максимально возможными из условия минимизации сопротивлений выходу жидкости из колонковой трубы и диаметр канала седла клапана определяют из условия равенства площади сечения канала седла и площади сечения кольцевого зазора между шаром и внутренними стенками корпуса клапана по выражению