Способ и устройство сверхвысокочастотного электротермомеханического бурения

 

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к способам и техническим средствам бурения в крепких породах разведочных и эксплуатационных скважин, в том числе горизонтальных и сложнонаправленных, в нефтегазовой промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что процесс разрушения породы осуществляется непрерывно вращающимся механическим инструментом и импульсами энергии СВЧ, снижающими прочность породы, при этом механический инструмент вращают с частотой, зависящей от длительности импульса. Предлагается устройство для реализации способа, в котором передача энергии СВЧ к забою осуществляется на волне типа Н₀₁, с малыми потерями по полой гибкой непрерывной бурильной трубе, а излучатель электромагнитных волн выполнен в виде цилиндрического проходного настраиваемого резонатора. Изобретение обеспечивает повышение эффективности СВЧ ЭТМ процесса разрушения пород при бурении. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к способам и техническим средствам бурения в крепких породах разведочных и эксплуатационных скважин, в том числе горизонтальных (ГС) и сложно-направленных (СНС) в нефтегазовой промышленности.

Известны нетрадиционные эффективные способы бурения скважин в крепких породах, одним из которых является СВЧ ЭТМ способ бурения [1]. Этот способ не требует создания больших осевых усилий, что особенно важно при бурении забойными двигателями ГС и СНС, т.к. в этом случае передача больших осевых усилий на забой затруднена вследствие трения тяжелой бурильной колонны о стенки скважины.

Физическая сущность этого способа заключается в том, что при вращении бурового органа на забой скважины подают в режиме резонанса электромагнитных волн мощные импульсы СВЧ энергии, в результате воздействия которых на приповерхностный слой породы снижается их крепость и слой разрушается по каналам теплового пробоя, после чего ослабленная порода доразрушается резцами бурового органа и удаляется из скважины сжатым воздухом [2]. Этот способ принят нами за прототип. Одним из важных достоинств противопоставляемого способа является то, что передача электромагнитной энергии в породы производится в режиме резонанса электромагнитных волн, в результате чего обеспечивается практически полная передача (до 95%) в породы подводимой к ним энергии и повышается эффективность электромагнитного воздействия на породы за счет резкого резонансного повышения напряженности электрической составляющей электромагнитного поля.

Исследования СВЧ ЭТМ способа бурения показали, что скорость бурения этим способам по крепким породам в 2-3 раза превышает скорости бурения шарошечным инструментом. Примерно в 1,5-2 раза уменьшается энергоемкость процесса разрушения, а осевое усилие снижается минимум в 5 раз.

К недостаткам известного СВЧ ЭТМ способа бурения относятся: - несогласованное воздействие на забой электромагнитными импульсами и механическим инструментом, что снижает реальную эффективность разрушения пород при бурении; - не одновременное, а последовательное облучение зон забоя электромагнитным полем, в результате чего разрушение породы на забое осуществляется периодически с периодом в 1 оборот, что также снижает производительность бурения.

Целью предлагаемого способа является повышение эффективности СВЧ ЭТМ процесса разрушения пород при бурении.

Достижение указанной цели в предлагаемом способе, включающем комбинированное воздействие на забой скважины сильным электромагнитным полем, снижающим прочность породы и механическим резцовым инструментом без применения больших осевых нагрузок, доразрушающим ослабленную породу, удаление которой из скважины производят сжатым воздухом, и передачей энергии СВЧ в породу импульсами в режиме резонанса электромагнитных волн при непрерывном вращении механического инструмента, достигается тем, что механический инструмент вращают с частотой, зависящей от длительности импульса, при этом длительность импульса t_u, длительность паузы t_n между импульсами, в течение которой доразрушают и удаляют с забоя ослабленный слой породы, а также частоту вращения n механического инструмента определяют исходя из электрических, механических и тепловых свойств породы, а также плотности, передаваемой в породу мощности, в соответствии с установленными при исследованиях зависимостями (размерность величин по международной системе СИ): t_u=ΔТ_кр•ρ•с/Р_у (1) t_n=(2-3)t_u (2) n = 2ε•α₃/t_u (3) где ΔТ_кр - критический перепад температур (град.) разрушаемого слоя породы по условию теплового пробоя за время действия импульса, определяется по формуле ΔT_кр = 2δ_p(1-ν)/β•E_ю (4) δ_p - предел прочности породы на растяжение, обусловленный перепадом температур ΔT_кр при тепловом пробое (Н/м²); ν - коэффициент Пуассона (безразмерный); ρ - плотность породы (кг/м³); с - теплоемкость породы (Дж/(кг•град. )); β - коэффициент линейного расширения породы (безразмер.); Е_ю - модуль Юнга (Н/м²); ε - относительная диэлектрическая проницаемость породы (безразмер. ); α₃ - коэффициент затухания электромагнитной волны в породе (безразмер.) - отношение теряемой в разрушаемом слое породы мощности к передаваемой мощности; Р_у - плотность передаваемой в породу мощности (кВт/м³).

В результате применения предлагаемого способа скорость бурения СВЧ ЭТМ способом по сравнению с механическим шарошечным способом возрастет до 4-5 раз, а осевое усилие снизится не менее чем на порядок. Нам неизвестны способы бурения скважин, обладающие совокупностью вышеперечисленных признаков, что означает соответствие предлагаемого способа требованиям, предъявляемым к изобретениям.

Известно устройство для бурения скважин СВЧ ЭТМ способом, включающее буровой станок с системой подачи, генератор СВЧ-энергии, бурильную колонну с волноводной линией передачи, породоразрушающий орган с резцовым инструментом и встроенным излучателем электромагнитной энергии в виде проходного настраиваемого резонатора [3]. Указанное устройство принято нами за прототип.

Недостатками указанного устройства являются: - большие потери СВЧ-энергии в волноводной линии передачи, выполненной в виде прямоугольного волновода, работающего на волне типа Н₁₀, вследствие чего это устройство может быть применено только для бурения неглубоких скважин протяженностью примерно до 50 м;
- несимметричное расположение излучателя СВЧ-энергии относительно оси устройства, в связи с чем разрушение породы производится периодически с периодом в 1 оборот, что снижает эффективность бурения;
- несогласованное воздействие на забой электромагнитным полем СВЧ и механическим инструментом, что также снижает эффективность бурения СВЧ ЭТМ буровым устройством.

Целью, на достижение которой направлено изобретение, является повышение эффективности бурения СВЧ ЭТМ буровым устройством и расширение области его применения. Для достижения указанной цели в предлагаемом устройстве для СВЧ ЭТМ бурения, включающем буровой станок с системой подачи, генератор СВЧ энергии, бурильную колонну с волноводной линией передачи, породоразрушающий орган с резцовым инструментом и встроенным излучателем электромагнитной энергии в виде проходного настраиваемого резонатора, отличием является то, что бурильная колонна для передачи электромагнитной энергии СВЧ к забою на волне типа H₀₁ с малыми потерями, выполнена в виде полой гибкой непрерывной бурильной трубы, а излучатель электромагнитной энергии снабжен возбудителем электромагнитных волн, при этом проходной настраиваемый резонатор выполнен цилиндрическим, верхняя часть которого ограничена прикрепленной к торцу возбудителя диафрагмой с отверстиями связи, а нижняя, примыкающая к забою, разделена клиновыми перегородками на два или большее число волноводных каналов. С целью обеспечения передачи энергии СВЧ через забойный двигатель вал ротора двигателя выполнен полым.

Указанные признаки позволяют устранить названные недостатки, присущие известным СВЧ ЭТМ буровым устройством, и дадут возможность бурить глубокие скважины, в том числе горизонтальные (ГС) и сложнонаправленные (СНС) с малыми потерями СВЧ энергии и небольшими осевыми нагрузками.

Нам неизвестны устройства для СВЧ ЭТМ бурения скважин, обладающие совокупностью вышеперечисленных признаков, что означает соответствие предлагаемого устройства требованиям, предъявляемым к изобретениям. На фиг.1 изображен общий вид СВЧ ЭТМ буровой установки для бурения ГС и СНС; на фиг. 2 - породоразрушающий орган; на фиг. 3 - вид В на фиг.2 (вид на торец породоразрушающего органа); на фиг.4 - разрез по А-А на фиг.2; на фиг.5 - вид Б на фиг.2.

Установка, фиг. 1, включает породоразрушающий СВЧ ЭТМ орган 1; забойный двигатель 2 с полым валом; гибкую, наматываемую на барабан лебедки непрерывную трубу 3, по внутренней полости которой к забою одновременно подают электромагнитную энергию СВЧ на волне типа H₀₁ и сжатый газообразный агент для очистки забоя от разрушенной породы; податчик 4 бурильной трубы 3, на забой; буровой станок 5 с лебедкой для намотки гибкой непрерывной трубы 3 на барабан; 6 - энергоблок СВЧ энергии, состоящий из блока питания и генератора СВЧ, который соединен вращающимся волноводным соединением (на чертеже не показан) с концом бурильной трубы, выходящим через ось барабана; компрессор 7 - для подачи газообразного очистного агента в бурильную трубу 3.

Породоразрушающий орган 1, фиг.2, 3, 4 и 5, содержит резцовый инструмент 9; излучатель энергии СВЧ, выполненный в виде цилиндрического проходного настраиваемого резонатора 8, нижняя часть которого, примыкающая к забою, образована корпусом 10 и закрепленными в нем клиновыми перегородками 11, которые разделяют цилиндрическую полость резонатора на два или большее число выходящих на забой волноводных каналов 12, резцов 13, оконтуривающих торцы корпуса 10 и клиновых перегородок 11. К верхней части разонатора 8 с помощью резьбы 14 прикреплен возбудитель электромагнитных волн 15, состоящий из корпуса 16 и перехода 17 с цилиндрического волновода 18 на прямоугольные волноводы 19, оканчивающиеся отверстиями связи 20 в прикрепленной с торца возбудителя 15 электромагнитных волн диафрагме 21. Между корпусом 10 резонатора 8 и корпусом 16 возбудителя 15 размещены регулировочные кольца 22.

Работа предложенного устройства и способ СВЧ ЭТМ бурения скважин с его помощью заключается в следующем. Перед спуском породоразрушающего органа в скважину производят настройку встроенного в него цилиндрического проходного настраиваемого резонатора 8 на максимальную передачу энергии СВЧ в породу, что контролируется измерением величины коэффициента стоящей волны (КСВН) в волноводной линии. При этом настройку резонатора 8 по модулю коэффициента отраженной волны производят путем или замены диаграммы 21 на другую с отличающимися по размерам отверстия связи 20 или путем подстройки генератора СВЧ по частоте. Настройку резонатора 8 по фазе коэффициента отражения производят путем изменения длины резонатора 8 за счет изменения количества регулировочных колец 22.

По формулам (1), (2) и (3) устанавливают частоту вращения породоразрушающего органа, а также длительность импульса и паузы в зависимости от плотности передаваемой в породу мощности.

В процессе бурения при вращении породоразрушающего органа, прижатого к забою податчиком 4, к возбудителю 15 от генератора СВЧ (на чертеже не показан) по внутренней полости бурильной трубы 3 подают мощные импульсы энергии СВЧ, которые возбудитель 15 передает к отверстиям связи 20 и через них возбуждает в резонаторе 8 электромагнитные волны, излучаемые затем в породу через волноводные каналы 12. При этом с целью резкого уменьшения потерь энергии передачу ее производят на волне с малыми потерями типа H₀₁. В результате воздействия на породу импульсом СВЧ энергии она разупрочняется и разрушается по каналам теплового пробоя.

В связи с тем что добротность цилиндрического проходного настраиваемого резонатора невысокая, а пределы изменения электрических свойств пород в диапазоне СВЧ сужены, резонатор практически не требует перестройки при бурении.

После каждого импульса, за время паузы, с помощью механического резцового инструмента производят доразрушение ослабленного слоя породы и удаление его из скважины сжатым газообразным агентом. После снятия ослабленного слоя породы с помощью автоматической системы управления подают очередной импульс и процесс бурения повторяется.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР 231465, МПК Е 21 в, опубликовано 28.11.68 г. Бюллетень 36.

2. Цыганенко С.М. Комбинированный СВЧ-механический способ бурения. Тезисы докладов на семинаре ИГД им. А.А.Скочинского 21-23 ноября 1990 г. "Новое в теории, технологии и технике бурения", М., 1991, с. 10-13.

3. Авторское свидетельство СССР 394547, Е 21 с 37/18, опубликовано 22.08.73 г. Бюллетень 34, Е 21 с 21/00.

Формула изобретения

1. Способ СВЧ ЭТМ бурения, согласно которому разрушение породы осуществляют путем комбинированного воздействия на забой скважины сильным электромагнитным полем, снижающим прочность породы, и механическим резцовым инструментом, не требующим больших осевых нагрузок, доразрушающим при вращении ослабленную породу, удаление которой из скважины производят газообразным агентом, при этом передачу энергии СВЧ в породу производят импульсами в режиме резонанса электромагнитных волн при непрерывном вращении механического инструмента, отличающийся тем, что механический инструмент вращают с частотой, зависящей от длительности импульса, при этом длительность импульса t_u, длительность паузы t_n между импульсами, в течение которой доразрушают и удаляют с забоя ослабленный слой породы, а также частоту вращения n механического инструмента определяют исходя из электрических, механических и тепловых свойств породы, а также плотности передаваемой в породу мощности СВЧ в соответствии с зависимостями:
t_u = ΔТ_кр • ρ • с/Р_у,
t_n = (2÷3)t_u,
n = 2ε•α₃/t_u,
ΔT_кр = 2δ_p(1-ν)/β•E_ю,
где ΔТ_кр - критический перепад температур разрушаемого слоя породы по условию теплового пробоя за время действия импульса, град. ;
δ_p - предел прочности породы на растяжение, обусловленный перепадом температур ΔТ_кр при тепловом пробое, Н/м²;
ν - коэффициент Пуассона (безразмерный);
ρ - плотность породы, кг/м³;
с - теплоемкость породы, Дж/кг•град. ;
β - коэффициент линейного расширения породы (безразмер. );
Е_ю - модуль Юнга, Н/м²;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость породы (безразмер. );
α₃ - коэффициент затухания электромагнитной волны в породе (безразмер. ) - отношение теряемой в разрушаемом слое породы мощности к передаваемой мощности;
Р_у - плотность передаваемой в породу мощности, кВт/м³.

2. Устройство для СВЧ ЭТМ бурения, включающее буровой станок с системой подачи, генератор СВЧ энергии, бурильную колонну с волноводной линией передачи, породоразрушающий орган с резцовым инструментом и встроенным излучателем электромагнитной энергии в виде проходного настраиваемого резонатора, отличающееся тем, что для бурения горизонтальных и сложно-направленных скважин с использованием забойного двигателя, бурильная колонна для передачи электромагнитной энергии СВЧ к забою на волне типа ₀₁ с малыми потерями, выполнена в виде полой гибкой непрерывной бурильной трубы, а излучатель электромагнитной энергии снабжен возбудителем электромагнитных волн, при этом проходной настраиваемый резонатор выполнен цилиндрическим, верхняя часть которого ограничена прикрепленной к торцу возбудителя диафрагмой с отверстиями связи, а нижняя, примыкающая к забою, разделена клиновыми перегородками на два или большее число волноводных каналов.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью передачи энергии СВЧ через забойный двигатель, вал ротора двигателя выполнен полым.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5