Универсальное устройство для бурения, очистки каверны и установки цементного моста

Изобретение относится к области капитального ремонта скважин и может быть использовано для бурения в шламовом осадке, очистки каверны и установки цементного моста. Устройство содержит полый ствол 1 со сквозными радиальными отверстиями 2 и наружным кольцевым выступом 3, верхнюю и нижнюю втулки 4, 5, установленные с формированием наклонной кольцевой щели 6 между их нижней и верхней поверхностями соответственно. Нижняя втулка 5 установлена с возможностью осевого перемещения вдоль полого ствола 1. Наружный кольцевой выступ 3 полого ствола 1 образован ниже сквозных радиальных отверстий 2. Нижняя втулка 5 в верхней части имеет внутреннюю проточку 7 под наружный кольцевой выступ 3 полого ствола 1 на длину ее осевого перемещения вдоль полого ствола 1. Нижний край сквозных радиальных отверстий 2 полого ствола 1 расположен выше уровня наклонной кольцевой щели 6. Внутренние поверхности верхней и нижней втулок 4, 5 и ответная им наружная поверхность полого ствола 1 образуют кольцевую полость А, гидравлически связанную с полостью полого ствола 1 через сквозные радиальные отверстия 2. Устройство содержит верхний и нижний переводники 8, 9. Верхний переводник 8 соединен снаружи с верхней втулкой 4, а изнутри - с полым стволом 1 и выполнен с продольным лопастным центратором 10. Нижний переводник 9 соединен изнутри с полым стволом 1 и поджимает нижнюю втулку 5 через резиновый упругий элемент 11 с силой прижатия, определяемой неравенством. Нижний переводник 9 имеет в средней части внутренний кольцевой выступ 12. В полом стволе 1 последовательно расположены упорная втулка 13, полый поршень 14 и пружина 15, упирающаяся в кольцевой выступ 12 нижнего переводника 9 с силой прижатия, определяемой неравенством. Полый поршень 14 выполнен с седлом под сбрасываемый шар 16 и установлен с герметичным перекрытием сквозных радиальных отверстий 2 полого ствола 1. Устройство содержит породоразрушающий инструмент 17, соединенный с нижним переводником 9. Обеспечивает повышение качества очистки каверны, установки цементного моста, повышение надежности работы и расширение технологических возможностей устройства за счет обеспечения возможности вбуривания устройства в шламовый осадок, автоматической самоочистки и центрирования устройства относительно оси скважины номинального диаметра. 1 ил.

 

Изобретение относится к области капитального ремонта скважин и может быть использовано для бурения в шламовом осадке, очистки каверны и установки цементного моста.

Известно устройство для установки цементного моста, описанное в способе установки цементого моста (см. п. РФ 2170334 от 24.08.1999 по кл. Е21В 33/13, опубл. 10.07.2001), содержащее полый ствол со сквозными радиальными отверстиями, верхнюю втулку (юбку) и нижнюю втулку, установленные с формированием наклонной кольцевой щели между их нижней и верхней поверхностями соответственно. Внутренние поверхности верхней и нижней втулок и ответная им наружная поверхность полого ствола образуют кольцевую полость, гидравлически связанную с полостью полого ствола через сквозные радиальные отверстия, расположенные на уровне наклонной кольцевой щели. Нижняя втулка установлена с возможностью осевого перемещения вдоль полого ствола и имеет внутреннюю кольцевую проточку, а полый ствол имеет наружную кольцевую проточку. В указанных проточках установлено упорное кольцо, ограничивающее перемещение нижней втулки вверх. В зазоре между нижней втулкой и полым стволом размещены резиновые кольца. Устройство содержит корпус с присоединительной резьбой и проходным каналом. Корпус в нижней части соединен с полым стволом, а снаружи с верхней втулкой. К нижней части полого ствола присоединен башмак, вооруженный лопастью. Между башмаком и нижней втулкой установлен резиновый упругий элемент.

Недостатками устройства является следующее.

Упругий резиновый элемент установлен без учета перепада давления рабочей жидкости при работе устройства. В процессе работы раскрытость наклонной кольцевой щели будет увеличиваться за счет воздействия гидравлического усилия на подвижную нижнюю втулку, что приведет к уменьшению скорости потока и, как следствие, к некачественной очистке каверны и установке некачественного цементного моста.

Расположение сквозных радиальных отверстий на уровне наклонной кольцевой щели является причиной, препятствующей созданию равномерного по окружности потока. Струи рабочей жидкости, выходящие из сквозных радиальных отверстий, преодолевая наклонную кольцевую щель, не успевают сформировать сплошную струю.

Кроме того, наличие зазора между нижней втулкой и полым стволом может привести к отклонению нижней втулки относительно оси устройства, что повлияет на равномерность раскрытия наклонной кольцевой щели и будет препятствовать созданию равномерной струи.

Перемещение нижней втулки вверх ограничивается упорным кольцом, что является недостаточно надежным, поскольку при неоднократном перемещении втулки оно может быть повреждено, а попадание металлических элементов в зазор между полым стволом и нижней втулкой вызовет заклинивание последней.

Устройством невозможно разрушить шламовый осадок (пробку), образованный в стволе скважины, в том числе после расширения каверны или осыпания ее свода при неустойчивости ствола скважины. Башмак, вооруженный лопастью, может лишь внедриться в шламовую пробку. Наличие в скважине частиц шлама, размер которых может достигать значения, превышающего разность внутреннего диаметра эксплуатационной колонны и наружного диаметра устройства, спущенного в скважину, препятствует их выносу, а следовательно, снижает качество очистки каверны. Выполнение технологической операции по разрушению крупных частиц шлама осуществляют дополнительным спуском и проработкой долотом. Замена башмака породоразрушающим инструментом невозможна ввиду его взаимосвязи с другими конструктивными элементами.

Отсутствие центратора обуславливает эксцентричное положение устройства при его входе в интервал ствола номинального диаметра, вследствие чего нарушается равномерность распределения потока струи в поперечном сечении кольцевого пространства скважины.

В качестве прототипа выбрано устройство для установки цементного моста (см. п. РФ №2331756 от 14.07.2006 по кл. Е21В 33/13, опубл. 20.08.2008), содержащее полый ствол (патрубок) со сквозными радиальными отверстиями и наружным кольцевым выступом, верхнюю и нижнюю втулки. Верхняя и нижняя втулки установлены с формированием наклонной кольцевой щели между их нижней и верхней поверхностями соответственно. Внутренние поверхности верхней и нижней втулок и ответная им наружная поверхность полого ствола образуют кольцевую полость. Кольцевая полость гидравлически связана с каналом полого ствола через сквозные радиальные отверстия, расположенные выше наклонной кольцевой щели. Нижняя втулка установлена с возможностью осевого перемещения вдоль полого ствола. Устройство содержит башмак, жестко связанный с нижней частью полого ствола. Башмак имеет внутреннее промывочное отверстие и выполнен с посадочным седлом под шар. В верхней части башмак имеет внутреннюю проточку, в которой расположена зафиксированная штифтом относительно башмака нижняя часть нижней втулки. Башмак имеет пикообразную лопасть с Г-образным вырезом.

Недостатками являются невозможность вбурить устройство в шламовый осадок, ненадежная работа устройства, недостаточно высокое качество установки цементного моста, а также очистки каверны.

Башмак устройства выполнен формой, обеспечивающей взаимосвязь с другими конструктивными элементами, что не позволяет заменить его на породоразрушающий инструмент. Несмотря на наличие в башмаке лопасти сложной конфигурации разрушить крупные частицы шлама им невозможно. В связи с этим необходимо предварительно прорабатывать шламовый осадок в стволе скважины и каверне долотом.

В случае засорения наклонной кольцевой щели произойдет срез штифта и перемещение нижней втулки вниз, этим предотвращается аварийная ситуация, однако дальнейшая работа устройства без извлечения его на поверхность и замены штифта невозможна. При недостаточной очистке рабочей жидкости может потребоваться неоднократное очищение наклонной кольцевой щели. Невозможность автоматического возврата устройства в рабочий режим свидетельствует о ненадежности работы устройства.

В процессе очистки поток жидкости через полый ствол и башмак устройства попадает на шламовый осадок, а также через сквозные радиальные отверстия и наклонную кольцевую щель в кольцевое пространство. Разделение потока ослабляет гидравлическое воздействие на шламовый осадок. Интенсивности осевой струи может оказаться недостаточно для дезагрегирования спрессованного шлама. В результате становиться невозможным углубление устройства на всю высоту шламового осадка. Это приводит к некачественной очистке ствола скважины и каверны. Плохая очистка каверны в последующем становится причиной некачественной установки цементного моста.

Отсутствие центратора обуславливает эксцентричное положение устройства при его входе в интервал ствола номинального диаметра, вследствие чего нарушается равномерность распределения потока струи в поперечном сечении кольцевого пространства скважины.

Техническим результатом является повышение качества очистки каверны, установки цементного моста, повышение надежности работы и расширение технологических возможностей устройства за счет обеспечения возможности вбуривания устройства в шламовый осадок, автоматической самоочистки и центрирования устройства относительно оси скважины номинального диаметра.

Технический результат достигается с помощью универсального устройства для бурения, очистки каверны и установки цементного моста, содержащего полый ствол со сквозными радиальными отверстиями и наружным кольцевым выступом, верхнюю и нижнюю втулки, установленные с формированием наклонной кольцевой щели между их нижней и верхней поверхностями соответственно, причем внутренние поверхности верхней и нижней втулок и ответная им наружная поверхность полого ствола образуют кольцевую полость, гидравлически связанную с каналом полого ствола через сквозные радиальные отверстия, расположенные выше наклонной кольцевой щели, а нижняя втулка установлена с возможностью осевого перемещения вдоль полого ствола. Согласно изобретению устройство содержит верхний переводник, выполненный с продольным лопастным центратором, соединенный снаружи с верхней втулкой, а изнутри - с полым стволом, и нижний переводник, соединенный изнутри с полым стволом. Устройство содержит породоразрушающий инструмент, соединенный с нижним переводником. Соединения верхнего и нижнего переводника с полым стволом обеспечивают передачу вращающего момента к породоразрушающему инструменту. Нижний переводник имеет в средней части внутренний кольцевой выступ и поджимает нижнюю втулку через резиновый упругий элемент с силой прижатия, определяемой неравенством

$$\frac{\Delta р\cdot \pi \cdot \left(d_1^2-d_2^2\right)}{4}\le F_1\le \frac{\Delta р\cdot \pi \cdot d_1\cdot \delta }{2\cdot k},$$

где F₁ - сила прижатия нижней втулки резиновым упругим элементом, Н;

Δр - перепад давления на работающем устройстве, Па;

d₁ - внутренний диаметр наклонной кольцевой щели, м;

d₂ - наружный диаметр полого ствола, м;

δ - раскрытость наклонной кольцевой щели, м;

k - коэффициент трения шлама о смоченный металл.

Наружный кольцевой выступ полого ствола образован ниже сквозных радиальных отверстий. Нижняя втулка в верхней части имеет внутреннюю проточку под указанный выступ на длину ее осевого перемещения вдоль полого ствола. В полом стволе последовательно расположены упорная втулка, полый поршень, выполненный с седлом под сбрасываемый шар, установленный с герметичным перекрытием сквозных радиальных отверстий полого ствола, и пружина, упирающаяся в кольцевой выступ нижнего переводника с силой прижатия, определяемой неравенством

$$\frac{4\cdot а\cdot \rho \cdot Q^2\cdot \left(d_3^2-d_4^2\right)}{\pi \cdot d_4^4}\le F_2\le \frac{\Delta р\cdot \pi \cdot d_3^2}{4},$$

где F₂ - сила сжатия пружины, Н;

а - коэффициент потерь давления в полом поршне;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

Q - подача жидкости, м³/с;

d₃ - наружный диаметр полого поршня, м;

d₄ - внутренний диаметр полого поршня, м.

На фигуре изображен продольный разрез устройства.

Универсальное устройство для бурения, очистки каверны и установки цементного моста содержит полый ствол 1 со сквозными радиальными отверстиями 2 и наружным кольцевым выступом 3, верхнюю и нижнюю втулки 4, 5, установленные с формированием наклонной кольцевой щели 6 между их нижней и верхней поверхностями соответственно. Нижняя втулка 5 установлена с возможностью осевого перемещения вдоль полого ствола 1. Наружный кольцевой выступ 3 полого ствола 1 образован ниже сквозных радиальных отверстий 2.

Нижняя втулка 5 в верхней части имеет внутреннюю проточку 7 под наружный кольцевой выступ 3 полого ствола 1 на длину ее осевого перемещения вдоль полого ствола 1.

Нижний край сквозных радиальных отверстий 2 полого ствола 1 расположен выше уровня наклонной кольцевой щели 6. Внутренние поверхности верхней и нижней втулок 4, 5 и ответная им наружная поверхность полого ствола 1 образуют кольцевую полость А, гидравлически связанную с полостью полого ствола 1 через сквозные радиальные отверстия 2.

Устройство содержит верхний и нижний переводники 8, 9. Верхний переводник 8 соединен снаружи с верхней втулкой 4, а изнутри - с полым стволом 1 и выполнен с продольным лопастным центратором 10.

Нижний переводник 9 соединен изнутри с полым стволом 1 и поджимает нижнюю втулку 5 через резиновый упругий элемент 11 с силой прижатия, определяемой неравенством

$$\frac{\Delta р\cdot \pi \cdot \left(d_1^2-d_2^2\right)}{4}\le F_1\le \frac{\Delta р\cdot \pi \cdot d_1\cdot \delta }{2\cdot k},$$

где F₁ - сила прижатия нижней втулки резиновым упругим элементом, Н;

Δр - перепад давления на работающем устройстве, Па;

d₁ - внутренний диаметр наклонной кольцевой щели, м;

d₂ - наружный диаметр полого ствола, м;

δ - раскрытость наклонной кольцевой щели, м;

k - коэффициент трения шлама о смоченный металл.

Нижний переводник 9 имеет в средней части внутренний кольцевой выступ 12. В полом стволе 1 последовательно расположены упорная втулка 13, полый поршень 14 и пружина 15, упирающаяся в кольцевой выступ 12 нижнего переводника 9 с силой прижатия, определяемой неравенством

$$\frac{4\cdot а\cdot \rho \cdot Q^2\cdot \left(d_3^2-d_4^2\right)}{\pi \cdot d_4^4}\le F_2\le \frac{\Delta р\cdot \pi \cdot d_3^2}{4},$$

где F₂ - сила сжатия пружины, Н;

а - коэффициент потерь давления в полом поршне;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

Q - подача жидкости, м³/с;

d₃ - наружный диаметр полого поршня, м;

d₄ - внутренний диаметр полого поршня, м.

Полый поршень 14 выполнен с седлом под сбрасываемый шар 16 и установлен с герметичным перекрытием сквозных радиальных отверстий 2 полого ствола 1. Устройство содержит породоразрушающий инструмент 17, соединенный с нижним переводником 9.

Герметичность подвижных и неподвижных соединений обеспечивается установкой резиновых уплотнительных колец. Соединения верхнего и нижнего переводников 8 и 9 с полым стволом 1 обеспечивают передачу вращающего момента к породоразрушающему инструменту 17.

Устройство соединяют с низом колонны бурильных труб и спускают в скважину до верхней границы интервала очистки ствола (установки цементного моста).

Наличие продольного лопастного центратора 10 позволяет беспрепятственно опустить устройство, предотвращая касание стенки скважины и возможное засорение наклонной кольцевой щели 6, что повышает надежность работы устройства.

Восстанавливают циркуляцию. Вращением и созданием нагрузки на долото разбуривают шламовый осадок до нижней границы очистки ствола скважины (установки цементного моста). Механическое разрушение сопровождается воздействием осевых струй жидкости, напорно истекающих из породоразрушающего инструмента (долота) 17, что повышает скорость разбуривания шламового осадка. Перекрытие сквозных радиальных отверстий 2 полым поршнем 14 позволяет получить на входе в породоразрушающий инструмент 17 поток достаточно высокой гидравлической мощности. При этом сила упругости пружины 15 должна уравновешивать гидравлическое усилие, прилагаемое к полому поршню 14 при прокачивании через него жидкости.

Если сила упругости пружины 15 окажется меньше гидравлического усилия, полый поршень 14 будет смещаться вниз и открывать сквозные радиальные отверстия 2 в полом стволе 1. В результате этого поток жидкости разделится на две части. Одна часть будет поступать к породоразрушающему инструменту 17, а вторая - через полость А в наклонную кольцевую щель 6 и далее в кольцевое пространство. В этом случае гидравлическая мощность потока, подводимого к породоразрущаемому инструменту 17, значительно уменьшится, что приведет к снижению эффективности разбуривания шламового осадка.

Останавливают циркуляцию. В колонну бурильных труб сбрасывают шар 16, который, достигнув полого поршня 14, перекрывает осевой канал последнего. Восстанавливают циркуляцию. Под действием давления перекрытый полый поршень 14 перемещается вниз. В момент открытия сквозных радиальных отверстий 2 начинают подъем устройства. Поток жидкости устремляется через сквозные радиальные отверстия 2 в кольцевую полость А и через наклонную кольцевую щель 6, образуя неразрывную кольцевую струю, очищает стенки каверны от фильтрационной корки и очищает каверну от шлама. При подъеме устройства шлам удерживается во взвешенном состоянии за счет действия неразрывной струи и сформировавшегося при ее отражении от стенки скважины или каверны тороидального вихря. Максимально необходимое усилие сжатия пружины 15 должно уравновесить гидравлическое усилие на перекрытый полый поршень 14 вследствие действия перепада давления на работающем устройстве. Если усилие сжатия пружины окажется больше, перекрытый шаром 16 полый поршень 14 не сдвинется с места или при его перемещении неполностью откроются сквозные отверстия 2 в полом стволе 1. Вследствие этого жидкость не будет поступать в полость А и далее в наклонную кольцевую щель 6, т.е. неразрывная кольцевая струя не образуется. Или резко возрастет давление нагнетания жидкости на насосе (вплоть до выхода за пределы рабочего диапазона). При этом в неполностью открытых сквозных радиальных отверстиях 2 будет происходить срабатывание гидравлической мощности на преодоление местного гидравлического сопротивления. Вследствие этого к наклонной кольцевой щели 6 будет подводиться сниженная гидравлическая энергия, а формирующаяся неразрывная кольцевая струя окажется недостаточно интенсивной и не сможет обеспечить качественную очистку каверны (установку цементного моста).

Нижняя втулка 5 сохраняет свое первоначальное размещение (остается неподвижной), сохраняя раскрытость наклонной кольцевой щели 6 при рабочем перепаде давления, что обеспечивает необходимую скорость истечения струи из наклонной кольцевой щели 6 и, как следствие, качественную очистку каверны и установку цементного моста.

Неподвижность нижней втулки 5 достигается ее прижатием снизу резиновым упругим элементом 11. Минимально необходимая величина прижатия компенсирует силу давления на дно кольцевой полости А. При силе прижатия менее минимально необходимой величины нижняя втулка 5 будет сдвигаться вниз, увеличивая раскрытость наклонной кольцевой щели 6 и снижая скорость истечения жидкости. Максимально необходимая величина прижатия обеспечивает условие самоочистки наклонной кольцевой щели 6.

При полном заполнении внутреннего периметра наклонной кольцевой щели 6 шламом шлам удерживается за счет трения о верхнюю и нижнюю поверхности наклонной кольцевой щели 6. Минимальная сила прижатия шлама к верхней и нижней поверхностям наклонной кольцевой щели 6 равна минимально необходимой величине прижатия нижней втулки 5 резиновым упругим элементом 11. При этом гидравлическая сила, действующая на шлам в наклонной кольцевой щели 6, уравновешивается силами трения. При увеличении силы прижатия самоочистка наклонной кольцевой щели 6 при заданном рабочем перепаде давления на устройстве происходить не будет.

Возможность проработки интервала очистки (установки цементного моста) позволяет гарантированно внедрить устройство до нижней границе интервала очистки. Подъем устройства производят до верхней границы интервала очистки (установки цементного моста). Расположение сквозных радиальных отверстий 2 выше уровня наклонной кольцевой щели 6, наличие полости А и наклонной кольцевой щели 6 позволяют сформировать неразрывную струю промывочной жидкости. Наличие продольного лопастного центратора 10 обеспечивает равномерное воздействие струи промывочной жидкости по всему периметру скважины при переходе устройства из каверны в ствол скважины номинального диаметра. В случае необходимости очистку можно повторять до достижения наилучшего результата.

Для установки цементного моста устройство опускают до нижней границы и через бурильную колонну подают порцию тампонажного раствора. При подходе тампонажного раствора к наклонной кольцевой щели 6 без прекращения его продавливания устройство поднимают к верхней границе интервала установки цементного моста. Расположение сквозных радиальных отверстий 2 выше уровня наклонной кольцевой щели 6, наличие полости А и наклонной кольцевой щели 6 позволяют сформировать неразрывную струю тампонажного раствора. Наличие продольного лопастного центратора 10 обеспечивает равномерное воздействие струи тампонажного раствора по всему периметру скважины при переходе устройства из каверны в ствол скважины номинального диаметра. Качественная очистка каверны и применение неразрывной кольцевой струи обеспечивают более полное заполнение полости каверны тампонажным раствором, не смешанным с промывочной жидкостью, и повышают качество установки цементного моста.

По достижении верхней границы интервала установки цементного моста продолжают закачивание промывочной жидкости в колонну бурильных труб с целью вымывания излишков тампонажного раствора из скважины. После этого устройство поднимают, а скважину оставляют на период ожидания затвердевания тампонажного раствора.

Возможность осуществления предлагаемого технического решения поясняется следующим примером.

Устройство было испытано при капитальном ремонте скважины. Ствол скважины до глубины 876 м обсажен эксплуатационной обсадной колонной диаметром 0,168 м. В необсаженной части ствола в интервале 876-887 м залегает глинистая покрышка пласта - коллектора, в которой в результате неустойчивости открытого ствола сформировалась цилиндрическая каверна диаметром 0,4 м.

Для ликвидации каверны в скважине устанавливают цементный мост в интервале 887 м (дно каверны, соответствующее нижней границе интервала установки цементного моста) - 876 м (глубина спуска эксплуатационной обсадной колонны, соответствующая верхней границе интервала установки цементного моста).

Для установки цементного моста используют устройство с раскрытостью наклонной кольцевой щели δ=0,004 м, что позволяет пропуск через нее частиц цемента диаметром до δ/3=0,004/3=0,001 м, остающихся в тампонажном растворе при затворении с последующей очисткой через сетчатый фильтр. Устройство соединяют с низом колонны бурильных труб диаметром 0,114 м и спускают в скважину. В процессе спуска устройство и внутренняя полость бурильных труб самозаполняются промывочной жидкостью через промывочные отверстия породоразрушающего инструмента 17, нижний переводник 9, полый ствол 1 с полым поршнем 14 и верхний переводник 8. Кольцевая полость А устройства заполняется через наклонную кольцевую щель 6. Продольный лопастной центратор 10 исключает касание устройства с обсадной колонной и засорение наклонной кольцевой щели 6.

На глубине 880 м был встречен спрессованный шламовый осадок. Для разбуривания шламового осадка к колонне бурильных труб присоединяют ведущую трубу с вертлюгом и восстанавливают прямую циркуляцию промывочной жидкости с подачей Q=0,015 м³/с. При этом промывочную жидкость насосами цементировочных агрегатов нагнетают в колонну бурильных труб, из которых она поступает в верхний переводник 8 устройства, далее в упорную втулку 13, полый поршень 14, полый ствол 1, нижний переводник 9, промывочные отверстия породоразрушающего инструмента 17. В качестве породоразрушающего инструмента 17 использовали трехшарошечное долото с фрезерованными зубьями. Полный поток промывочной жидкости, выходя из промывочных отверстий породоразрушающего инструмента 17, гидравлически разбивает шламовый осадок.

Для более эффективного разрушения шламового осадка одновременно вращают колонну бурильных труб со скоростью 20 мин^-1 и создают осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент 17 до 15 кН.

Вращающий момент, передаваемый ротором колонне бурильных труб, приходит к верхнему переводнику 8 устройства. Верхний и нижний переводники 8, 9 соединены с полым стволом 1 упорными резьбами с обеспечением возможности передачи вращающего момента и осевой нагрузки к породоразрушающему инструменту 17, представленному трехшарошечным долотом. Вооружение породоразрушающего инструмента 17 механически разрушает спрессованный шлам в осадке.

Пружина 15 в процессе прокачивания промывочной жидкости поджимает полый поршень 14 к упорной втулке 13.

Минимально необходимая величина силы прижатия полого поршня 14 пружиной 15 при прокачивании промывочной жидкости плотностью ρ=1100 кг/м³ составляет

$$F_{2\min }=\frac{4\cdot а\cdot \rho \cdot Q^2\cdot \left(d_3^2-d_4^2\right)}{\pi \cdot d_4^4}=\frac{4\cdot \mathrm{1,2}\cdot 1100\cdot {\mathrm{0,015}}^2\cdot \left({\mathrm{0,05}}^2-{\mathrm{0,025}}^2\right)}{\mathrm{3,14}\cdot {\mathrm{0,025}}^4}=1816\text{ Н}$$

Здесь а=1, 2 - коэффициент потерь давления в полом поршне, принятый по справочным данным с учетом перевода единицы размерности в систему СИ (Элияшевский И.В., Сторонский М.Н., Орсуляк Я.М. Типовые задачи и расчеты в бурении. - М.Недра, 1982, стр.130);

d₃=0,05 м - наружный диаметр полого поршня;

d₄=0,025 м - внутренний диаметр полого поршня.

За счет обеспечения минимально необходимой величины силы прижатия полый поршень 14 остается в верхнем положении, что исключает открытие сквозных радиальных отверстий 2 в полом стволе 1 и поступление части промывочной жидкости в кольцевую полость А устройства и далее через наклонную кольцевую щель 6 в кольцевое пространство скважины.

Максимально необходимое усилие в пружине 15 составляет

$$F_{2\max }=\frac{\Delta р\cdot \pi \cdot d_3^2}{4}=\frac{\mathrm{1,0}\cdot {10}^6\cdot \mathrm{3,14}\cdot {\mathrm{0,05}}^2}{4}=1962\text{ Н}$$

Если усилия в пружине 15 после перекрытия канала в полом поршне 14 окажется больше максимально необходимой величины, полый поршень 14 не сместится вниз и сквозные радиальные отверстия 2 в полом стволе 1 не будут открыты. В результате в замкнутой гидравлической системе насосы цементировочных агрегатов - бурильная колонна - устройство произойдет гидравлический удар, который вызовет срабатывание предохранительных устройств на насосах и остановку циркуляции или повреждение устройства.

Весь поток промывочной жидкости поднимается с забоя по кольцевому пространству на дневную поверхность, вынося с собой мелкий шлам.

При достижении глубины 887 м - нижней границы интервала установки цементного моста - вращение колонны бурильных труб останавливают, скважину промывают до прекращения выноса шлама, после чего циркуляцию промывочной жидкости прекращают.

В колонну бурильных труб сбрасывают шар 16 диаметром 0,027 мм. Шар 16 под действием собственного веса опускается в седло полого поршня 14 и перекрывает канал в нем.

Восстанавливают циркуляцию промывочной жидкости с подачей Q=0,015 м³/с. Под действием гидравлического усилия полый поршень 14, перекрытый шаром 16, преодолевает усилие пружины 15 и смещается вниз по полому стволу 1, открывая при этом сквозные радиальные отверстия 2. Весь поток промывочной жидкости поступает из колонны бурильных труб через верхний переводник 8 и верхнюю часть полого ствола 1 в полость А устройства по сквозным радиальным отверстиям 2. Из полости А весь поток промывочной жидкости напорно истекает в кольцевое пространство скважины через наклонную кольцевую щель 6, образованную нижней поверхностью верхней втулки 8 и верхней поверхностью нижней втулки 9. Из наклонной кольцевой щели 6 устройства выходит неразрывная струя всего потока промывочной жидкости в направлении от оси устройства между его наружной поверхностью и стенкой каверны.

Одновременно поднимают устройство со скоростью 0,05 м/с к верхней границе интервала установки цементного моста 876 м. Неразрывная струя промывочной жидкости, отражаясь от стенки каверны, формирует тороидальный поток, действующий выше наклонной кольцевой щели 6. Тороидальный поток захватывает и удерживает во взвешенном состоянии крупные частицы шлама вплоть до входа устройства в эксплуатационную колонну, где скорости восходящего потока в кольцевом пространстве достаточно для выноса крупного шлама на поверхность.

Продольный лопастной центратор 10 верхнего переводника 8 исключает соприкосновение наклонной кольцевой щели 6 с внутренней поверхностью обсадной колонны при заходе в нее устройства на уровне верхней границы установки цементного моста. В результате исключается разрыв тороидального потока и выпадение из него крупного шлама обратно на забой.

В процессе формирования неразрывной струи промывочной жидкости резиновый упругий элемент 11 обеспечивает прижатие нижней втулки с минимально необходимым усилием

$$F_{1\min }=\frac{\Delta р\cdot \pi \cdot \left(d_1^2-d_2^2\right)}{4}=\frac{{\mathrm{1,010}}^6\cdot \mathrm{3,14}\cdot \left({\mathrm{0,084}}^2-{\mathrm{0,068}}^2\right)}{4}=1900\text{ Н}$$

Здесь d₁=0,084 м - внутренний диаметр наклонной кольцевой щели;

d₂=0,068 м - наружный диаметр полого ствола, принятый из конструктивных соображений;

Δр=1,0 МПа - принят по опытно-экспериментальным данным.

Указанное усилие обеспечивает поддержание нижней втулки 5 в крайнем верхнем положении (прижатой к наружному кольцевому выступу 3 полого ствола 1).

За счет этого обеспечивается постоянство раскрытия наклонной кольцевой щели 6 и заданные гидравлические характеристики неразрывной струи.

В случае засорения максимально необходимая величина прижатия нижней втулки составляет

$$F_{1\max }=\frac{\Delta р\cdot \pi \cdot d_1\cdot \delta }{2\cdot k}=\frac{\mathrm{1,0}\cdot {10}^6\cdot \mathrm{3,14}\cdot \mathrm{0,084}\cdot \mathrm{0,004}}{2\cdot \mathrm{0,4}}=2375\text{ Н}$$

Здесь k=0,4 - принят по справочным данным материалам для трения стали об алевролит при промывке водой (Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.Недра, 1979 г., стр.117).

Прижимающее усилие резинового упругого элемента 11 в случае засорения наклонной кольцевой щели 6 не должно превышать величину гидравлического усилия, действующего вниз на нижнюю втулку 5. В случае превышения прижимающего усилия резинового упругого элемента 11 над указанной величиной не произойдет смещения нижней втулки 5 и увеличения раскрытости наклонной кольцевой щели 6, из которой потоком жидкости будет вымыт загрязняющий шлам.

После вымывания шлама нижняя втулка 4 под действием упругости резинового упругого элемента 11 переместится вверх в исходное положение и устройство автоматически вернется на заданный режим работы.

После достижения верхней границы интервала установки цементного моста 876 м без прекращения циркуляции устройство вновь спускают к нижней границе интервала установки цементного моста.

В колонну бурильных труб закачивают порцию тампонажного раствора в объеме 1,4 м³ плотностью 1800 кг/м³, растекаемостью 0,018-0,020 м по конусу АзНИИ, приготовленного из портландцемента тампонажного ПТЦI-СС-50. Продавливают тампонажный раствор по колонне бурильных труб к устройству закачкой 5,6 м³ промывочной жидкости с подачей 0,015 м³/с. При этом буровой раствор, а затем и тампонажный раствор всем потоком поступает из колонны бурильных труб через верхний переводник 8, упорную втулку 13, верхнюю часть полого ствола 1 по сквозным радиальным отверстиям 2 в полость А устройства. Из полости А весь поток жидкости напорно истекает в кольцевое пространство через наклонную кольцевую щель 6.

С началом выхода тампонажного раствора из наклонной кольцевой щели 6 устройство поднимают на колонне бурильных труб с расчетной скоростью 0,05 м/с к верхней границе интервала установки цементного моста, не прекращая продавливания в объеме 1,4 м³. В ходе подъема неразрывная струя тампонажного раствора одновременно по поперечному сечению каверны заполняет ее полость без смешения с промывочной жидкостью. При достижении верхней границы интервала установки цементного моста - 876 м подъем устройства прекращают и продолжают промывку скважины для вымывания излишков тампонажного раствора, прокачивая промывочную жидкость в объеме 6,5 м³. После этого циркуляцию останавливают, в результате снятия гидравлического усилия за счет упругости пружины 15 полый поршень 14 поднимается в исходное верхнее положение. При необходимости сбрасываемый шар 16 может быть поднят на поверхность обратной циркуляцией. Устройство поднимают, а скважину оставляют на ожидание затвердевания тампонажного раствора.

По окончании срока ожидания затвердевания тампонажного раствора в скважину по колонне бурильных труб спустили долото диаметром 0,14 м, которым обнаружили кровлю цементного моста на глубине 876 м. Прочность и несущая способность цементного моста были подтверждены его нагружением колонной бурильных труб до 3 кН. При этом «провал» не наблюдался. Герметичность цементного моста была подтверждена опресовкой ствола скважины до избыточного давления 12 МПа. Это свидетельствует о качестве установки цементного моста.

После разбуривания цементного моста вывал кусков цемента не наблюдался, это позволило оборудовать скважину фильтром и ввести ее в эксплуатацию.

Предлагаемое изобретение соответствует условию патентоспособности, так как является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

Универсальное устройство для бурения, очистки каверны и установки цементного моста, содержащее полый ствол со сквозными радиальными отверстиями и наружным кольцевым выступом, верхнюю и нижнюю втулки, установленные с формированием наклонной кольцевой щели между их нижней и верхней поверхностями соответственно, причем внутренние поверхности верхней и нижней втулок и ответная им наружная поверхность полого ствола образуют кольцевую полость, гидравлически связанную с каналом полого ствола через сквозные радиальные отверстия, расположенные выше наклонной кольцевой щели, а нижняя втулка установлена с возможностью осевого перемещения вдоль полого ствола, отличающееся тем, что оно содержит верхний переводник, выполненный с продольным лопастным центратором, соединенный снаружи с верхней втулкой, а изнутри - с полым стволом, и нижний переводник, соединенный изнутри с полым стволом, а также породоразрушающий инструмент, соединенный с нижним переводником, причем соединения верхнего и нижнего переводника с полым стволом обеспечивают передачу вращающего момента к породоразрушающему инструменту, а нижний переводник имеет в средней части внутренний кольцевой выступ и поджимает нижнюю втулку через резиновый упругий элемент с силой прижатия, определяемой неравенством
$$\frac{\Delta р\cdot \pi \cdot \left(d_1^2-d_2^2\right)}{4}\le F_1\le \frac{\Delta р\cdot \pi \cdot d_1\cdot \delta }{2\cdot k},$$
где F₁ - сила прижатия нижней втулки резиновым упругим элементом, Н;
Δр - перепад давления на работающем устройстве, Па;
d₁ - внутренний диаметр наклонной кольцевой щели, м;
d₂ - наружный диаметр полого ствола, м;
δ - раскрытость наклонной кольцевой щели, м;
k - коэффициент трения шлама о смоченный металл,
а наружный кольцевой выступ полого ствола образован ниже сквозных радиальных отверстий, при этом нижняя втулка в верхней части имеет внутреннюю проточку под указанный выступ на длину ее осевого перемещения вдоль полого ствола, причем в полом стволе последовательно расположены упорная втулка, полый поршень, выполненный с седлом под сбрасываемый шар, установленный с герметичным перекрытием сквозных радиальных отверстий полого ствола, и пружина, упирающаяся в кольцевой выступ нижнего переводника с силой прижатия, определяемой неравенством
$$\frac{4\cdot а\cdot \rho \cdot Q^2\cdot \left(d_3^2-d_4^2\right)}{\pi \cdot d_4^4}\le F_2\le \frac{\Delta р\cdot \pi \cdot d_3^2}{4},$$
где F₂ - сила сжатия пружины, Н;
а - коэффициент потерь давления в полом поршне;
ρ - плотность жидкости, кг/м³;
Q - подача жидкости, м³/с;
d₃ - наружный диаметр полого поршня, м;
d₄ - внутренний диаметр полого поршня, м.