Пристрій для ліквідації прихоплень бурильної колони

Винахід стосується галузі буріння свердловин, а саме пристроїв, призначених для ліквідації аварій, пов'язаних з прихопленнями бурильної колони. Відомий гідравлічний ударний механізм (ГУМ) (Самотой А.К. Прихваты колонн при бурении скважин. - М.: Недра, 1984. - С.166), що складається з розміщеного на бурильній колоні корпуса з поршнем і заповненими маслом ізольованими камерами. Недоліком даного пристрою є необхідність попереднього створення в бурильній колоні розтягуючих зусиль, що робить неможливим його використання в похило орієнтованих і горизонтальних свердловинах. Крім того, ГУМ має складну конструкцію з значною кількістю деталей і відповідальними ущільненнями, робота яких визначає працездатність пристрою. Відомий також пристрій для ліквідації прихоплень бурильної колони, який містить гідравлічний вібратор, що складається з корпуса з обмежувачем осьових переміщень і втулкою, в якій з зазором розміщений рухомий елемент, виконаний у вигляді кулі (Авт. св. СССР №953183, кл. E21B23/00, опубл. 23.08.82, Бюл. №31). Даний пристрій створює недостатнє динамічне зусилля на бурильну колону, внаслідок чого знижується ефективність ліквідації прихоплень. Крім того, даний пристрій створює динамічні зусилля, спрямовані виключно до вибою свердловини, і не може використовуватись при аваріях, ліквідація яких пов'язана з необхідністю нанесення ударів в напрямку до гирла свердловини. В основу винаходу покладене завдання створити пристрій для ліквідації аварій у вертикальних, похилих і горизонтальних свердловинах, який забезпечив би можливість створення в обох напрямках, необхідної величини зусилля на бурильну колону. Задача вирішується таким чином. Над гідравлічним вібратором розміщений додатковий корпус з протилежно орієнтованими робочими органами, ідентичний основному і зв'язаний з ним бурильною трубою. В додатковому корпусі розміщена з можливістю обмежених осьових переміщень підпружинена втулка, а її внутрішня поверхня виконана конічною, більший діаметр якої спрямований в напрямку висхідного потоку, причому відстань між обмежувачем осьових переміщень і вхідним перерізом перевищує радіус рухомого елемента. Використання додаткового корпуса дозволяє одержати спрямоване вгору динамічне зусилля, яке виникає внаслідок гальмування висхідного потоку і створення гідравлічного удару в момент контакту кулі вібратора з обмежувачем осьових переміщень верхнього корпуса. Висхідний потік рідини, в якому рухається куля вібратора, при цьому може створюватись за рахунок використання струминного насоса, або під дією різниці гідростатичних тисків в бурильній колоні і в затрубному просторі за рахунок попереднього заміщення бурового розчину видом. Виконанням внутрішньої поверхні втулки верхнього корпуса вібратора конічною при забезпеченні відстані між обмежувачем осьових переміщень і вхідним перерізом більшою за радіус рухомого органа досягається коливання кулі і динамічного зусилля, що діє на бурильну колону. Коливаная кулі вібратора викликане зміною гідравлічних втрат в кільцевому зазорі, утвореному кулею і конічною поверхнею втулки верхнього вібратора. На кресленні (фіг.) показана схема пристрою. Пристрій складається з верхнього 1 і нижнього 2 корпуса вібратора, між якими розміщена бурильна труба 3. В нижньому корпусі 2 розміщені втулка 4, куля 5 і обмежувач осьових переміщень 6 з отворами 7 для проходу рідини. В верхньому корпусі 1 розміщені втулка 8 з обмежувачем осьових переміщень 9 і пружина 10. Для фіксації деталей 8, 9, 10 корпус 1 виконано з верхньої 11 і нижньої 12 частин. Втулка 8 має внутрішню конічну поверхню, яка утворює з кулею 5 зазор з змінною (в залежності від осьового розміщення кулі) шириною. Пристрій розміщають в свердловині на колоні бурильних труб, які з'єднуються з пристроєм за допомогою різьби перехідника 11. Пристрій працює таким чином. Можливі два варіанти використання пристрою. Пристрій може постійно знаходитись в свердловині під час буріння прихоплене-безпечних горизонтів, а може спускатись в свердловину після виникнення прихоплення. До складу операцій по усуненню прихоплень входять традиційні методи по визначенню його границь, ослабленню вищерозміщеного різьбового з'єднання, відгвинчування і підйому вільної частини бурильної колони, спуск гідроударника і його з'єднання з прихопленою ділянкою. Якщо пристрій входить до складу компоновки бурильної колони, необхідність виконання цих операцій відпадає. Після виникнення прихоплення подаємо буровий розчин в бурильну колону. Під дією потоку бурового розчину куля 5, яка в даному випадку знаходиться в нижньому корпусі 2, здійснює бокові і повздовжні коливання. Якщо робота нижнього вібратора 2 не привела до ліквідації прихоплення, необхідно використовувати верхній вібратор 1, для чого в свердловині створюється висхідний потік рідини. Висхідний потік рідини в свердловині може створюватись двома способами. Згідно першого способу пристрій за допомогою різьби перехідника 11 приєднують до всмоктувальної лінії струминного свердловинного насоса. Робочий потік від бурового насоса по колоні бурильних труб надходить на робочу насадку струминного насоса, внаслідок чого в проточній частині пристрою і в розміщений нижче нього прихопленій ділянці бурильної колони створюється висхідний потік. Компоновка бурильної колони для цього випадку має вигляд зверху-вниз); бурильна колона - струминний насос - пристрій прихоплена ділянка бурильної колони - долото. Згідно другого способу в свердловині попередньо створюється різниця гідростатичних тисків в бурильній колоні і в затрубному просторі. Для створення різниці гідростатичних тисків проводять підготовчі операції аналогічні способу використання гідроімпульсного методу ліквідації прихоплень. Буровим насосом в бурильну колону подають воду або буровий розчин, густина якого менша густини основного бурового розчину, який знаходиться в свердловині. В процесі заміщення бурового розчину частина його витісняється в затрубний простір, внаслідок чого створюється різниця гідростатичних тисків. Внаслідок з'єднання порожнини бурильної колони з атмосферою (наприклад, за рахунок дросельно-запірного пристрою, розміщеного на маніфольді бурового насоса) починається зворотній рух рідини з затрубного простору в бурильну колону під дією різниці гідростатичних тисків. По всій довжині бурильної колони формується висхідний потік. Для цього випадку створення висхідного потоку компоновка бурильної колони має вигляд (зверхувниз): бурильна колона - пристрій - прихоплена ділянка бурильної колони - долото. Під дією висхідного потоку куля 5 гідроударника рухається по каналу бурильної труби 3 між корпусом 21 корпусом 1 до моменту контакту з обмежувачем осьових переміщень 9 корпуса 1. Гідравлічний опір кулі 5 під час її руху в каналі бурильної труби визначається шириною кільцевого зазору між кулею і стінками каналу та відносною швидкістю обтікання кулі висхідним потоком. Під час руху кулі 5 в каналі бурильної труби 3 відносна швидкість обтікання кулі визначається різницею швидкості руху висхідного потоку і власної швидкості кулі. В момент контакту кулі 5 з обмежувачем осьових переміщень 9 верхнього корпуса і її власна швидкість зменшується до нуля, а відносна швидкість зростає до величини швидкості висхідного потоку. За рахунок миттєвого зростання відносної швидкості обтікання кулі миттєво зростає гідравлічний опір проточної частини пристрою, виникає гальмування потоку і утворюється частковий гідравлічний удар. Внаслідок виникнення гідравлічного удару виникає спрямоване вгору зусилля, яке сприяє ліквідації прихоплення бурильної колони. Після завершення процесу гідравлічного удару за рахунок зменшення гідравлічного опору кільцевого зазору між кулею 5 і конічною поверхнею втулки 8 зменшуються гідравлічні втрати в даному зазорі і знижується різниця тисків нижче кулі 5 і вище її розміщення. Наявної різниці тисків стає недостатньо для утримування кулі 5 в висхідному потоці і вона починає рухатись вниз, доки не ввійде в канал бурильної труби 3. Після того, як куля 5 знизиться до входу в канал бурильної труби 3, кільцевий зазор зменшиться, зростає різниця тисків між початковим і кінцевим перерізом кільцевого зазору, внаслідок чого куля 5 знову починає рухатись вгору до контакту з обмежувачем переміщень 9. Коливання кулі, таким чином, генерують серію часткових гідравлічних ударів, які сприяють ліквідації прихоплень. Техніко-економічна ефективність пристрою досягається за рахунок скорочення часу, що витрачається на ліквідацію прихоплень бурильної колони, внаслідок чого підвищується продуктивність праці і скорочуються терміни будівництва свердловини.