Компоновка низу бурильної колони

Реферат: UA 115886 U UA 115886 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до буріння нафтових і газових свердловин, а саме до нафтового обладнання, що входить в компоновку низу бурильної колони для похило-скерованого та горизонтального буріння. Відома компоновка низу бурильної колони (КНБК), що включає долото, обважнені бурильні труби, механізм гідравлічного опору [патент РФ № 131792 Е21В28/00, 2006] у вигляді багатоступінчастої турбіни з наскрізними віконцями для створення імпульсів тиску та наявністю відбивача, який включено в компоновку бурового інструменту, що міститься на деякій віддалі від основного джерела в межах КНБК з врахуванням особливостей режимів буріння свердловини. Недоліком даної конструкції є наявність тонких країв конструкції відбивача, напрям яких співпадає з напрямком руху потоку рідини всередині компоновки. Наявність високих швидкостей руху рідини вздовж даної конструкції призводить до швидкого стирання країв відбивача, а відповідно до швидкого зношування пристрою та його неефективності. Відома конструкція КНБК [патент РФ № 2060343, 2010 р.], що містить долото, гвинтовий вибійний двигун (ГВД), патрубок між долотом і валом ГВД. В конструкції долота наявні бокові промивні канали, отвори яких прилягають до бокової стінки внутрішньої поверхні долота, де знаходиться куля з можливістю кочення в кільцевому отворі, утвореному стінками порожнини, а діаметр кулі є більшим за бокові отвори, площа прохідного перерізу патрубка є більшою за площу поверхні внутрішньої порожнини долота, розміщеної по нормалі до її осі. Це створює можливість періодичного перекривання отворів бокових промивальних каналів, що забезпечує періодичне підвищення перепаду тиску на долоті. В результаті чого виникають коливання бурильної колони, які частково перешкоджають осіданню та ущільненню вибуреної породи (шламу) навколо колони. Величину імпульсів тиску регулюють діаметром кулі. Недоліком даної конструкції є виникнення високоамплітудних поперечних коливань бурильної колони, а в деяких фізико-геологічних умовах і виникнення явища "биття", які для процесу буріння є негативними. Відома конструкція КНБК [патент РФ № 2066730, Е21В7/08], що включає в себе демпфер поздовжніх коливань, обважнені бурильні труби (ОБТ), елемент низу бурильної колони, що має підвищений гідравлічний опір як то гідравлічний вибійний двигун чи гідравлічне моніторне долото, що міститься під ОБТ. Демпфер поздовжніх коливань при цьому розміщують між ОБТ та елементом з підвищеного гідравлічного опору. Недоліком даної конструкції є те, що демпфер, який виготовлено з пружної циліндричної оболонки, піддається знакозмінному впливу напружень, які збуджуються роботою долота у вибої, при цьому допускається можливість деформації оболонки. Враховуючи, що під час буріння свердловини з різноманітним заляганням породи частотно-амплітудний спектр коливань є досить широким, така конструкція швидко зазнає втомного руйнування, та є ненадійною в експлуатації. Відома компоновка низу бурильної колони [патент РФ № 126748 Е21В7/08, 2006 р.], яка взята нами за прототип, що включає бурильні труби, гвинтовий вибійний двигун (ГВД), долото та додатково встановлений наддолотний свердловинний осцилятор, розміщений між ГВД і долотом, виконаний з можливістю підсилення динамічної осьової складової навантаження на долото для більш ефективного руйнування гірської породи у похило-скерованих і горизонтальних свердловинах. Недоліком даної конструкції є те, що наявність запираючого клапана може спричинити його заклинювання, а також відсутня можливість регулювання амплітудно-енергетичних характеристик осцилятора. Під впливом тиску промивної рідини відбувається руйнування рухомих відхиляючих пристроїв по осі кріплення, що призводить до ускладнень в процесі буріння. Задачею корисної моделі є підвищення ефективності буріння за рахунок доведення ефективного динамічного осьового навантаження на долото, покращення очищення вибою свердловини, запобігання процесам прихоплення бурильної колони у її горизонтальній частині свердловини та підвищення механічної швидкості буріння. Поставлена задача вирішується тим, що в компоновку низу бурильної колони включається породоруйнівний інструмент, обважнені бурильні труби (ОБТ) змінного осьового моменту інерції [патент № 76003, А.С. № 1629460 СССР], які забезпечують плавну зміну динамічних складових та спричинюють гасіння поперечних коливань в широкому амплітудо-частотному діапазоні. Крім того у місцях найбільшого викривлення стовбура свердловини додатково встановлюються генератори гідроакустичних імпульсів (патент № 63187), що забезпечує коливні процеси промивальної рідини в затрубному просторі, підтримуючи в рідині наявність стоячих хвиль, які призводять до покращення очищення свердловини і винесення вибуреної породи на денну поверхню, а також забезпечує стійкий тонкий кольматаційний шар стінок стовбура свердловини, 1 UA 115886 U 5 10 15 20 25 30 35 40 та запобігає процесам прихоплення бурильної колони у горизонтальних ділянках свердловини. Генератор гідроакустичних імпульсів, що міститься між породоруйнівним інструментом і ГВД, спричинює підвищення енергії пульсуючого потоку промивальної рідини, створюючи потужні гідроакустичні ударні імпульси тиску, які діють безпосередньо на вибій свердловини, забезпечуючи ефективне очищення вибою, а імпульсні поздовжні коливання долота створюють додаткове навантаження на вибій для більш ефективного руйнування породи. Поздовжні коливання нижніх ділянок компоновки зменшують сили тертя бурильних труб і стовбура свердловини. Корисна модель ілюструється кресленнями, де на фіг. 1 зображено схему загального вигляду компоновки 1 - долото, 2 - генератор гідроакустичних імпульсів, 3 - ГВД, 4 - обважнені бурильні труби, 5 - обважнені бурильні труби змінного моменту інерції, 6 - бурильні труби, 7 телеметрична система. Використання в компоновці низу бурильної колони обважнених бурильних труб зі змінним моментом інерції поперечного перерізу [патент № 76003, А.С. № 1629460] створює плавну зміну динамічних складових, що спричинює гасіння поперечних коливань в широкому амплітудочастотному діапазоні. Використання генератора гідроакустичних імпульсів [патент № 63187] у наддолотній частині компоновки спричинює підвищення енергії пульсуючого потоку промивальної рідини, створюючи потужні гідроакустичні ударні імпульси тиску, які спричинюють повздовжні коливання породоруйнівного інструменту, підвищуючи його енергетичні характеристики в процесі буріння та забезпечують ефективне очищення вибою свердловини. Під час буріння похило-скерованих та горизонтальних ділянок свердловини, бурильна колона лягає на нижню стінку стовбура, що унеможливлює доведення ефективного осьового навантаження на долото, ускладнює винесення вибуреної породи на денну поверхню, що підвищує ймовірність прихоплення бурильної колони. Для вирішення даної проблеми запропоновано встановлення гідроакустичних пристроїв в місцях найбільшого "лягання" бурильної колони на стінки свердловини у стовбурі. На фіг. 2 зображено схему похило скерованої свердловини з можливими додатковими розміщеннями генераторів гідроакустичних імпульсів. Використання гідроакустичних пристроїв між елементами БК забезпечує коливні процеси промивальної рідини в затрубному просторі, підтримуючи в ній наявність стоячих хвиль, що призводить до покращення очищення свердловини і винесення породи на денну поверхню [Чернова М.Є. Динаміка гідроакустичних коливань у затопленій струмині затрубного простору бурильної колони Науковий вісник. - 2013. - № 1 (34). – С. 82-88]. Таким чином використання гідроакустичних генераторів спрямованої дії в компоновці низу бурильної колони дає можливість зменшити енергозатрати під час будівництва нафтогазових свердловин. Віддаль від встановленого генератора між породоруйнівним інструментом та ГВД до розташування наступного генератора гідроакустичних коливань між елементами КНБК в похило скерованій та горизонтальній ділянках бурильної колони обчислюється з розв'язків рівняння E  Ix  де d4  d  d  2  4 G  xgmx  sin  dx     m   p Sx   gm x cos  , dx  dx  E - модуль Юнга матеріалу, з якого виготовлені БТ, Н/м2; Ix  - осьовий момент інерції перерізу обважнених бурильних труб зі змінною величиною 4 моменту інерції, м ; x - координата, що відраховується від нижньої точки на компоновці низу бурильної колони, м;  - прогин бурової колони в перерізі з координатою x , м;   45 50 G - осьове навантаження на долоті, Н; mx  - маса одиниці довжини бурильної колони в промивальній рідині, кг/м; 2 g - прискорення вільного падіння, м/с ;  - азимутальний кут свердловини, град;  - частота поздовжніх коливань бурильної колони, що визначається як добуток 2π на -1 швидкість обертання породоруйнівного інструменту, за один оберт с , 3  m - густина матеріалу, з якого виготовлені БТ, кг/м ; 3  p - густина промивальної рідини, кг/м ; 2 UA 115886 U Sx  - площа поперечного перерізу БТ, м2, з граничними умовами: 0  1)    , для x  0 , d2  0 0  dx 2  де  0 - амплітуда прогину колони на вибої свердловини, м; 2) 5   x  , d3  d  0 , в першій точці дотику колони до стінки свердловини від 0, dx dx 3 вибою, де  x  0,5 dc  d  ,     dc - діаметр свердловини, м; d  - діаметр колони, м; 3)  10 15 x  xi  i , d2  dx 2  0 в місцях x i розміщення генераторів, за  i  0,5dc  dг  , x  xi де i  1 2, 3m , , m - кількість генераторів; dг - діаметр генератора, м. Така компоновка низу бурильної колони забезпечує доведення ефективного динамічного осьового навантаження на породоруйнівний інструмент та підвищення механічної швидкості буріння, покращує процес винесення вибуреної породи на денну поверхню, забезпечує стійкість стінок стовбура свердловини, запобігає прихопленню, що в сукупності забезпечує підвищення ефективності бурових робіт. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Компоновка низу бурильної колони (КНБК), що містить бурильні труби (БТ), обважнені бурильні труби і породоруйнівний інструмент, яка відрізняється тим, що в компоновку низу бурильної колони обважнені бурильні труби (ОБТ) вибирають змінного моменту інерції, на певній відстані між якими і над породоруйнівним інструментом містяться генератори гідроакустичних імпульсів, віддаль від встановленого генератора між породоруйнівним інструментом та гвинтовим вибійним двигуном (ГВД) до розташування наступного генератора гідроакустичних коливань між елементами КНБК в похило скерованій та горизонтальній ділянках бурильної колони обчислюється за рівняннями: E  Ix  30 35 40 d4 d  d  2  4 G  xgmx  sin  dx    m  p Sx   gmx  cos  , dx dx   2 де E - модуль Юнга матеріалу, з якого виготовлені БТ, Н/м ; Ix  - осьовий момент інерції перерізу обважнених бурильних труб зі змінною величиною 4 моменту інерції, м ; x  - координата, що відраховується від нижньої точки на компоновці низу бурильної колони, м;  - прогин бурової колони в перерізі з координатою х, м; G - осьове навантаження на долоті, Н; mx  - маса одиниці довжини бурильної колони в промивальній рідині, кг/м; 2 g - прискорення вільного падіння, м/с ;  - азимутальний кут свердловини, град;  - частота поздовжніх коливань бурильної колони, що визначається як добуток 2 на -1 швидкість обертання породоруйнівного інструменту, за один оберт, с , 3 m - густина матеріалу, з якого виготовлені БТ, кг/м ; 3  p - густина промивальної рідини, кг/м ; Sx  - площа поперечного перерізу БТ, м , з граничними умовами: 2 3 UA 115886 U 0   0  1)    , для d2 0 2 dx x  0, де  0 - амплітуда прогину колони на вибої свердловини, м; d3 d  0 , в першій точці дотику колони до стінки свердловини від 2)   x  ,  0, dx 3 dx 5 вибою, де  x  0,5 dc  d ,     dc - діаметр свердловини, м; d  - діаметр колони, м; 3)  x  xi  i, d2  0 в місцях dx2 x  x xi розміщення генераторів, за i  0,5dc  dг  , i де 10 i  1 2, 3  m , , m - кількість генераторів; dг - діаметр генератора, м. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4