Прогрессивные технологии сооружения скважин

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

А Б

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.13. Схема новой конструкции расширителя скважины ПВ:

А - рабочее положение; б - транспортное положение; 1 - шток поршня; 2 - кор­пус расширителя; 3 - пружина; 4 - упор; 5 - резиновые уплотнения; 6 - поршень; 7 - промывочные каналы; 8 - рабочий орган расширителя

В гидромониторных расширителях для разрушения породы используется энергия струи промывочной жидкости, истекающей из насадок. После спуска расширителя в скважину в заданный интервал начинают осуществлять подачу промывочной жидкости либо одновременно с вращением, либо без вращения инструмен-

Та. Поток жидкости, истекающий из насадок гидромониторного расширителя, попадает на забой и разрушает породу.

Разрушение породы под воздействием гидромониторной струи происходит из-за создания на забое осевого давления, приводя­щего к разрушению структурных связей, их размыву. Разруше­ние структурных связей породы происходит в том случае, если создаваемое струей давление на забой превышает критическое для данного типа грунта

А > [Стдоп], (4.10)

Где а - напряжение, создаваемое струей в породе, [адоп] - пре­дельно допустимое напряжение в породе.

Многочисленными исследователями [15, 16] установлено, что разрушение породы при воздействии на нее струи промывочной жидкости происходит при существенно меньшем давлении, чем предельно допустимые напряжения на сжатие. Это объясняется долговременным воздействием потока на грунт, в процессе кото­рого структурные связи породы постепенно разрушаются и дей­ствительная прочность породы уменьшается.

Применительно к слабосцементированным и глинистым поро­дам рекомендуется вводить в формулу (4.10) понижающий ко­эффициент K (табл. 4.2)

А > К[ад0П]. (4.11)

Воздействие струи на забой, исходя из режима истечения и его колебаний во времени, носит различный характер. В случае прерывистого воздействия давление на забой рассчитывают по формуле гидравлического удара

Таблица 4.2

Типы пород

Предельно до­пустимые на­пряжения [адоп], кг/см2

Понижающий коэффициент K

Требуемое для разруше­ния породы давление на забой а, Кг/см2

Песок мелкозернистый

1-2

0,8

0,8-1,6

Супесь легкая

1,5-2

0,8

1,2-1,6

Песок среднезернистый

1,2

0,7

1,05

Лессовидный суглинок

1,5-2,5

0,7

1,05-1,75

Суглинок легкий, супесь средняя

2-2,5

0,7

1,4-1,75

Песок крупнозернистый

1,5-2,5

0,7

1,05-1,75

Супесь тяжелая, суглинок средний

2,5-3

0,6

1,5-1,8

Суглинок плотный

3-4

0,6

1,8-2,4

Глина

3-4,5

0,6

1,8-2,7

Гравийно-галечные отложения

4-5

0,6

2,4-3,0

Глина полужирная

5-7

0,5

2,5-3,5

Ст = р Cv, (4.12)

Где C - скорость волны сжатия в жидкости (при высоких скоро­стях удара волны сжатия распространяются со скоростью, пре­вышающей 1500 м/с); V - скорость истечения жидкости из на­садки.

Для круглых струй диаметр поверхности, на которую распро­страняется давление гидроудара

D = do(v/c), (4.13)

Где d0 - начальный диаметр струи.

Продолжительность ударного воздействия невелика, и через небольшой промежуток времени с момента возникновения цир­куляции происходит радиальное движение жидкости вдоль забоя от ядра воздействия или оси симметрии струи. Давление на за­бое резко снижается и при этом

Ст = Р (v2/2). (4.14)

Давление, развиваемое струей, которая истекает из насадки, изменяется по мере приближения или удаления забоя, или сме­щения его от оси симметрии струи. Г. Н. Абрамович и А. Я. Ми - лович рекомендуют для определения снижения давления на за­бой по мере его удаления от насадки использовать формулу

Ст I = ^ ст 0, (4.15)

Где а - опытный коэффициент (а = 6^6,8); L - расстояние от на­садки до забоя; ст0 - давление струи на выходе из насадки.

Выражение (4.15) дает хорошую сходимость при существен­ном удалении забоя от насадки. При малых удалениях, когда d0/l > 0,12^0,14, формула теряет смысл, так как давление на рас­стоянии L больше, чем начальное.

А. К. Козодой предложил формулу для определения осевого давления струи на забой по мере его удаления с учетом коэффи­циента затухания а = 0,29^0,3, дающую удовлетворительную схо­димость и на начальном участке струи при L > (2^3)d0,

Ст і = , 5,5 „. (4.16)

. l I2

1 + а— І

D0 )

В начальный период развития струи до 5-6 мм от насадки она носит компактный характер, и давление жидкости поддержи­вается примерно постоянным (рис. 4.14). С удалением насадки от

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 а Г/о

Рис. 4.14. Зависимость отноше­ния ог/оо от расстояния до за­боя при разных выходных сече­ниях насадок:

1 - эллиптическое; 2 - кониче­ское; 3 - цилиндрическое

I, мм

Забоя давление резко снижается, а при расстоянии более 18­20 мм разрушение породы становится неэффективным.

В радиальном направлении от оси симметрии струи давление быстро снижается. Н. Маковей рекомендует использовать для определения давления от оси струи уравнение С. Д. Лича и Г. Л. Уолкера

(4.17)

СТ r = СТо

1 -31 b)!+2 (B

Где R - расстояние от оси симметрии струи; B - радиус поверхно­сти, на которую воздействует струя (b « 1,3d0).

Уравнение (4.17) справедливо при R < B, а при R >> B СтГ = 0. Анализ уравнения (4.17) позволяет установить, что максималь­ное давление наблюдается у оси струи примерно постоянно и близко к максимальному. На расстоянии 2,5 диаметра от центра струи давление резко снижается и составляет не более 10 % мак­симального. При дальнейшем удалении от центра струи давление снижается медленнее и на расстоянии 8-10 диаметров составляет 3-5 % от максимального (рис. 4.15).

Неравномерность распределения давления, создаваемого стру­ей жидкости, вытекающей из гидромониторной насадки, обу­словливает формирование неравномерного по форме поверхности разрушаемого забоя. Максимальные сжимающие и касательные напряжения возникают в том месте, где забой контактирует с центральной частью струи. Поэтому разрушение забоя происхо­дит преимущественно у оси симметрии струи, а с удалением по радиусу, интенсивность разрушения породы резко снижается.

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

0,4

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Kr/dt

Рис. 4.15. Изменение давления струи по мере смещения от оси симметрии:

1 - d0 = 3,2 мм; V = 27,4^35,7 м/с; 2 - d0 = 4,8 мм; V = 29,6 м/с; 3 - d0 = 6,4 мм; V = 20,7 м/с; 4 - теоретическая кривая

0,8

0,6

0,2

Ar/"


Для практических условий важно определить параметры на­садок, режимы промывки и допустимое удаление насадки от за­боя (стенок скважины), при которых возможно интенсивное разрушение породы.

(4.18)

Давление в точке забоя, отстоящей от насадки на расстоянии l, а от оси струи - на расстоянии r, определяется выражением

Ст = KR KL ст0,

Где Kr - коэффициент затухания струи по мере удаления от ее оси, равный отношению стг к ст0 [см. уравнение (4.17)]; K - ко­эффициент затухания струи при удалении от насадки, равный отношению стг к ст0 [см. равенство (4.15) и (4.16)].

Решая уравнение (4.18) относительно необходимой скорости истечения струи из насадки расширителя при известных значе­ниях расстояния до забоя L и диаметра размываемой полости Ri, Получаем следующее выражение:

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

(4.19)

При скоростях меньших, чем рассчитанных по приведенной формуле, разрушения забоя радиусом Ri, который отстоит от на­садки на расстоянии l, не произойдет. От выражения (4.19) легко
переити к уравнению для определения суммарной площади сече­ния насадок расширителя при заданной производительности на­сосного оборудования Q

Юн = -2QL=. (4-20)

21° доп]

Р K[Kr

Рациональный диаметр насадок D0 определяется на основании равенства (4.20) и числа насадок Nt, которое выбирается, исходя из конструктивных особенностей расширителя,

D0 = & (4.21)

nnt

При заданном начальном давлении струи ст0 и известном ра­диусе обработки забоя R, соответствующем коэффициенту зату­хания, предельное расстояние /кр, на котором будет разрабаты­ваться забой, сложенный породой с заданными физико - механическими и прочностными свойствами

Ad0

Коп]

(4.22)

Кр

KR °0

Если расстояние 1кр больше значения, полученного в правой части уравнения (4.22), то на стенках скважины сформируется забой радиусом R меньше расчетного ri. Существует предельное расстояние между забоем и насадкой, при котором забой не формируется даже в месте, контактирующем с осью симметрии струи. Это значение легко получить из выражения (4.22), если KR = 1.

Значения разрушающей дальнобойности струи в зависимости от числа гидромониторных насадок и динамического давления на породу приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Порода

Давление, МПа

L (в мм) при числе насадок

1

2

3

Супесь

0,3

302

430

530

Песок крупнозернистый

0,2

320

450

550

Суглинок

0,4

200

280

350

Песок мелкозернистый

0,15

300

420

320

Глина плотная

0,6

145

205

250

В выражении (4.22) использовали значения коэффициента за­тухания струи с удалением от насадки, полученного из уравне­ния (4.15), дающего хорошую сходимость при существенных удалениях забоя, что и соответствует поставленной задаче.

Уравнения (4.19)-(4.22) получены при условии, что действие струи на забой носит постоянный характер, исключающий воз­никновение гидравлических ударов. Если в конструкции расши­рителя предусмотрено периодическое открытие - закрытие по­верхности насадок и гидроударное воздействие струи на забой, то предельно возможная глубина расширения, определяемая по уравнению (4.22), увеличится на 2 c/v, т. е. примерно в 5-6 раз.

Требуемая скорость истечения струи из насадки для форми­рования забоя радиусом R при динамическом режиме истечения уменьшается и определяется из выражения

V > [СТдоп] . (4.23)

PcKtKr v J

Характер представленных зависимостей подтверждается мно­гочисленными экспериментальными данными. Интересные ис­следования проведены в ИГД им. А. А. Скочинского. При иссле­довании взаимодействия струй с породой выявлена связь глуби­ны разрушаемого забоя от отношения расстояния между забоем и насадкой к диаметру насадки.

Эффективное отношение расстояния между насадкой и забо­ем к диаметру насадки не должно превышать 5-6. Если это от­ношение увеличивается до 20 и более, то глубина разрушаемого забоя незначительна. Учитывая, что типовой диаметр насадок составляет 5-8 мм, то при удалении забоя от насадки более чем на 100 мм эффективность процесса разрушения породы будет незначительна. Следует учесть, что в экспериментах А. А. Ско - чинский исследовал незатопленные струи, разрушительная спо­собность которых гораздо выше, чем затопленных.

Для затопленных струй, наблюдающихся при расширении скважин, глубина забоя при постоянных остальных параметрах будет существенно ниже, хотя качественный характер зависимо­стей останется аналогичным. В этой связи при затопленных струях эффективное расстояние между забоем и насадкой будет снижаться в несколько раз. В процессе экспериментов установ­лено, что глубина формируемого забоя линейно увеличивается с ростом начального давления струи при постоянном диаметре на­садки или с увеличением диаметра насадки при постоянном дав­лении.

Типовые конструкции скважин, которые должны предусмат­ривать создание оптимального режима эксплуатации за счет
обеспечения ламинарного режима движения потока во всех эле­ментах системы скважина - пласт, предполагают увеличение диаметра пилот-ствола иногда до 800 мм и более. Глубина про­никновения кольматирующего раствора, используемого при пер­вичном вскрытии пласта, особенно в наиболее проницаемых и продуктивных интервалах превышает 100-200 мм, а часто соот­ветствует диаметру зоны турбулизации потока при заданных ре­жимах эксплуатации, т. е. 700-800 мм и более.

Очевидно, что струи, истекающие из гидромониторных наса­док, не могут обеспечить эффективного разрушения даже слабо - сцементированной породы на таких расстояниях без проникно­вения насадки в глубь пласта по мере разработки каверны или дополнительного механического воздействия на забой. Для вы­бора технологии гидромониторного расширения и конструкции инструмента важно определить динамику разрушения породы во времени.

Если в начальный момент динамическое давление струи пре­вышает критическое, то в породе формируется цилиндрический канал. Н. Маковей обобщил большой объем экспериментов, про­веденных различными авторами, и установил, что около 75 % общего объема породы разбуривается в первую секунду. В даль­нейшем темп углубки канала падает и уменьшается объем выбу­ренной породы (рис. 4.16). После 4-5 с воздействия струи на породу увеличения глубины канала почти не происходит.

Интенсифицировать процесс разрушения породы и сократить время воздействия струи на забой позволяет добавка в воду по­лимерных компонентов. Например, добавка окиси полиэтилена позволяет уменьшить эффективное время воздействия струи на забой более чем в 2 раза.

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

25

2

Рис. 4.16. Зависимость глубины вырабатываемого канала от времени воздействия струи на

Породу:

О

1 - пресная вода; 2 - вода с

0,01 % окисью полиэтилена

10 20 30 Время, с


В нашей стране проводились исследования по выявлению влияния добавок полимеров к воде, используемой для разруше­ния пород струями высокого давления. Добавки полиакриламида (ПАА) при его содержании в воде 0,0015-0,0035 % позволяют увеличить гидродинамическое давление струи и эффективность разрушения породы. На расстоянии 50 см от насадки динамиче­ское давление увеличивается на 10-30 %, а на расстоянии 130 см - более чем в 2 раза.

Зарубежные исследования показывают, что наиболее эффек­тивны добавки полимеров в водные струи при удалении насадки от забоя на расстоянии более 50 мм (рис. 4.17). Необходимость воздействия струи на определенное место забоя в течение не­скольких секунд накладывает свои ограничения на выбор скоро­сти осевого перемещения снаряда и его частоты вращения. Осе­вая подача инструмента не должна превышать отношения диа­метра вырабатываемого в стенках скважины канала к эффектив­ному времени обработки забоя. Эффективная величина обраба­тываемого забоя на 30 % выше диаметра насадки, а рациональное время обработки не превышает 5 с.

В начальный момент воздействия струи на забой предполага­ется, что она перпендикулярна касательной к окружности стенок скважины. Поэтому для определения давления струи на забой, справедливы уравнения (4.12) и (4.14). По мере формирования лунки направление потока в струе и выходящего из лунки стано­вится неперпендикулярным друг другу. В правую часть уравне­ний (4.12) и (4.14) добавляется множитель (1 - ras а), где а - угол между поступающим и отводящимся с забоя потоками. При формировании начального углубления в забое L0 становится бо­лее 90°, и в правую часть выражений (4.12) и (4.14) добавляется множитель, превышающий единицу. Если направление отводя­щегося с забоя потока близко к противоположному направлению движения струи, то давление на забой [см. уравнения (4.12) и (4.14)] увеличивается в 2 раза. Этим и объясняется быстрое раз­рушение породы в течение первых секунд воздействия струи на забой. С развитием лунки забой удаляется от насадки и наступа-

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.17. Зависимость глубины вырабатываемого канала от рас­стояния между насадкой и забо­ем:

1 - чистая вода; 2, 3, 4 - вода с добавлением соответственно 0,1; 0,2 и 0,05 % полимера

Ет момент, когда даже удвоенного гидродинамического давления струи становится недостаточно для дальнейшего формирования забоя.

При перемещении насадки относительно первично сформиро­ванной лунки в осевом или радиальном направлениях струя по­тока начинает воздействовать на наклонную плоскость. Отводя­щийся с забоя поток жидкости при этом движется под острым углом к исходному направлению движения струи. Косинус угла в данном случае принимает положительные значения, которые меньше единицы, а гидродинамическое давление на забой снижа­ется до значений, меньших, чем рассчитанная по формулам (4.12) и (4.14). Итак, интенсивность разрушения откосов уже сформированной лунки существенно ниже, а глубина соседней полости меньше глубины первичной лунки.

На рис. 4.18 показаны этапы разрушения забоя скважины гидромониторными расширителями. В процессе забурки форми­руют лунки, число которых соответствует числу гидромонитор­ных насадок (рис. 4.18, а). После перемещения инструмента в осевом или радиальном направлении откосы первичных лунок становятся круче, а промежуточная между ними часть забоя раз­рушается значительно медленнее (рис. 4.18, б). Профиль забоя при этом ступенчатый, неравномерный (рис. 4.18, в) даже в од­нородных по физико-механическим свойствам грунтах.

Струйные расширители по характеру воздействия на породу подразделяются на струйные мониторы (гидроаэродинамиче­ские), гидротурбинные, гидроимпульсные.

Струйный монитор, предложенный НИНО и ПС (рис. 4.19),

В

Б

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.18. Этапы разрушения забоя скважины гидромониторными расширите­ЛяМи:

А - процесс забурки; б - образование откосов первичных лунок; в - образование ступенчатого профиля забоя

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.20. Зависимость длины прорези в грунте от смещения водяного сопла от­носительно воздушного для различных диаметров водяного сопла (в мм):

1 - 5; 2 - 3; 3 - 2; 4 - 5; 5 - 1

Повышает эффективность расширителя путем формирования ка­пельной структуры струи, что приводит к возникновению дина­мических сил, которые увеличивают размывающее действие во­дяной струи.

Для обеспечения рационального режима истечения из мони­тора, длина воздушного сопла должна быть не меньше величины смещения водяного сопла S относительно воздушного йвоз (рис. 4.20). Наиболее приемлемым считается смещение, которое со­ставляет 0,5-2 диаметра воздушного сопла.

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.19. Струйный монитор НИНО и ПС:

1 - двойная колонна труб (для подачи воды, воздуха); 2 - корпус; 3 - водяное сопло; 4 - воздушное сопло

Рассмотрим подробнее работу расширителя. В пробуренную скважину спускают монитор до проектной отметки и подают в него по трубам воду и воздух. Из водяного сопла монитора на­чинает изливаться водяная струя в потоке воздуха, прорезающая в грунте щель. Воздух, выходящий, с большой скоростью из вы­двинутого вперед воздушного сопла, создает вокруг водяной струи зону пониженного давления. В результате этого истекаю­щая из водяного сопла струя распадается на отдельные капли, что приводит к возникновению динамических сил, которые уве­личивают гидродинамическое воздействие на забой.

В предложенном струйном мониторе существенно увеличива­ется эффективность разрушения породы за счет движения водя­ной струи внутри воздушной оболочки, которая экранирует ее от основной массы заполняющей скважину жидкости. Однако по­вышение эффективности работы расширителя наблюдается толь­ко при малых расстояниях между забоем и гидромонитором. При увеличении этого расстояния воздушная оболочка вокруг водя­ной струи нарушается и воздух начинает подниматься к поверх­ности. Стандартные компрессоры, используемые при буровых работах, имеют давление 0,6-0,8 МПа, в связи с чем при глубине скважины более 80 м применение известного инструмента ос­ложняется. Кроме этого, предложенная технология может быть использована только при расширении пород низконапорных пла­стов, так как при высоком напоре стенки скважины не будут поддерживаться в устойчивом состоянии. Глубина статического уровня должна быть больше 0,6 глубины скважины.

При использовании гидромонитора для расширения скважины следует учитывать, что при его вертикальном перемещении в зо­не разработки грунта меняется статическое давление, плотность, расход и скорость воздуха, выходящего из сопла. С подъемом монитора диаметр расширения уменьшается.

М. О. Ашрафьян и другие авторы на основании многофактор­ной модели разрушения пород высоконапорными струями жид­кости, предложенной ЗапСибНИГНИ, рекомендуют определен­ные параметры расширения ствола скважины с 243-500-мм гид­ромониторными расширителями (табл. 4.4). Данные получены для скважин глубиной 1700 м. При этом использовали буровой раствор плотностью 1800 кг/м3, 141 - мм бурильные трубы при давлении насосов 10 МПа и расширитель, состоящий из трех насадок одного типоразмера.

Таблица 4.4

Диаметр насадки, мм

Прочность пород в интервале расшире­ния стДОШ МПа

Время контакта струи с породой, с

Скорость подачи инструмента, м/ч

10,7

1,5

7,6

106,0

3,0

22,1

30,6

7,6

122,2

7,1

15,0

363,0

2,2

12,0

1,6

6,4

155,0

3,0

19,1

52,0

7,5

100,0

9,9

15,0

316,0

3,1

14,0

1,5

5,3

2540,0

3,0

15,6

82,2

7,5

57,4

17,1

15,0

25,7

5,3

Установлено, что ствол может расширяться гидромониторами даже при прочности пород 15 МПа. Скорость расширения уве­личивается в 2,5 раза при изменении диаметра насадок с 10,7 до 14 мм с учетом постоянных скоростей истечения струи, т. е. при соответствующем повышении подачи насосов в 1,7 раза. Интен­сивность разрушения пород резко снижается с увеличением их прочности.

Увеличение глубины скважины снижает интенсивность гид­ромониторного расширения. Гидромониторные расширители, включающие гидромониторные насадки, выполненные в модер­низированном замковом соединении бурильных труб, централь­ный промывочный канал которого перекрывается шаром. Гидро­мониторные расширители применялись для увеличения диаметра нефтяных скважин (табл. 4.5).

В процессе испытаний установлено, что при увеличении рас­стояния между забоем и насадками более 25-70 мм разрушение забоя почти прекращается. В некоторых интервалах скважины зафиксирована неравномерность разрушения породы относи­тельно оси скважины. В наиболее мягких породах диаметр рас­ширения возрастал, что приводило к формированию глубокого забоя.

С целью совмещения операций по посадке фильтровой ко­лонны и расширению водозаборной части скважины ПСО Вос - токбурвод серийно выпускается гидротурбинный расширитель (ГТР). Гидротурбинный расширитель (рис. 4.21) состоит из по­лого вала 1 с радиальными отверстиями, на котором посажен корпус 2 с соплами 3. Кольцевой зазор между корпусом и валом герметизирован самоуплотняющимися манжетами 4. Корпус 2 Фиксируется на валу от осевого перемещения зашплинтованной шайбой 5. Верхняя часть вала выполнена в виде муфты под резьбу бурильных, труб. К корпусу прикреплены тормозные пла­стины 6. За счет реактивной силы струи, вытекающей из гидро­мониторных насадок 3, турбина 2 вращается вокруг оси корпуса гидротурбинного расширителя. Частота вращения турбины опре­деляется размерами тормозных пластин, которые находятся из расчета.

Вращение насадок вокруг оси инструмента обеспечивается моментом гидродинамических сил струй, направленных по каса­тельной к поверхности обрабатываемого забоя. Неперпендику­лярное воздействие струй на забой резко снижает эффективность расширения. Поэтому представленный расширитель можно ре­комендовать при удалении глинистой корки со стенок скважины при спуске фильтровой колонны.

В ПСО Востокбурвод разработан гидроимпульсный расшири-

Таблица 4.5

Номер скважи­ны, площадь

Условия расширения ствола

Интер­вал, мм

Диаметр, мм

Плот­ность бурового раство­ра, г/см3

По­дача насо­сов, л/с

Ствола сква­жины

Бу­риль­ных

Труб

Рас- шири - теля

Гидро- мони - торных насадок

1148, Грязевая

1414-1490

200

114

178

11

1,80

24

Сопка

712, Западно-

1722-1752

118

89

110

8

1,30

14

Анастасиевская

90, Каражанбас

309-314

214-220

114

178

13

1,34

29

91, Каражанбас

300-315

214-220

114

178

13

1,34

20

300-315

450

114

178

13

1,34

29

306-311

145

114

138

8

1,34

14

311-314

640

114

138

8

1,34

14

314-321

214

114

138

8

1,34

10

Тель, установливаемый в башмаке фильтровой колонны и пред­назначенный для размыва стенок скважины, разрушения и удаления закольматированной зоны продуктивного пласта. Конструкция расширителя (рис. 4.22) предусматривает проворот насадок вокруг оси скважины без вращения колонны труб. Крутящий момент создается смещением направления истече­ния струй из сопла гидромониторных насадок. Расширитель состоит из вращающейся и неподвижной частей. Во вращающей­ся части расположены две гидромониторные насадки, а в непод­вижной - корпус для соединения с бурильной колонной и пре­рыватель.

В процессе работы расширителя вращающаяся часть постоян­но проворачивается относительно неподвижной, а поток, исте­кающий из сопел, периодически перекрывается прерывателем.

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Режим расширения

Диаметр ствола после расширения, мм

Давление на насосах, МПа

Перепад дав­ления на насадках, МПа

Интенсив­ность вра­щения, об/мин

Расчетная скорость подачи, м/ч

Расчетный

Фактиче­ский

8

5,0

20

1,3

340

270

14

5,0

20

5,8

180

160

5

3,5 5 15 15 13

3,9 2,6 3,9 12,5 12,5 11

Со со со со со со

2,8 4,1 2,8 6,1

540 420 540 360

640 450 640 420 640 400

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Л-А

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.22. Гидроимпульсный расширитель (ПСО Востокбурвод):

1 - вращающаяся часть; 2 - неподвижная часть; 3 - насадки; 4 - прерыватель (непод­вижный)

Создаются периодические гидродинамические импульсы, ко­торые способствуют повышению давления на забой, созданию цикличной нагрузки и более эффективному разрушению породы. По данным Г. П. Квашнина создание импульсов позволяет увели­
чить давление на забое в 3-4 раза в сравнении с постоянным по­током.

Стенд для испытания разных конструкций гидротурбинных расширителей (табл. 4.6) устанавливался в емкость, имитирую­щую скважину. Функцию забоя выполнял образец реального грунта. За сравнительный критерий оценки эффективности ГТР был принят образец в виде двух слоев бумаги толщиной 0,4 мм, зажатых между двумя перфорированными дисками с ячейкой диаметром 5 мм. С увеличением частоты генерируемых импуль­сов радиус разрушения образца увеличивается при прочих рав­ных условиях. Из всех испытываемых импульсных ГТР наиболее эффективный - гидроимпульсный расширитель с шестью узкими пластинами (см. рис. 4.22). При одинаковом гидродинамическом воздействии на стенку образца в сравнении с обычным гидромо­ниторным расширителем он обеспечил разработку ствола сква­жины по окружности более глубокими каналами.

Г. П. Квашнин установил, что для разрушения образца породы, находящегося на расстоянии 80 мм от насадки, требуется обыч­ным расширителем развить давление 0,5 МПа, а при гидроим­пульсном воздействии требуется давление только 0,24 МПа, т. е. примерно в 2 раза меньшее. Воздействие параллельных друг дру-

Таблица 4.6

Тип ГТР

Параметры

Рабо­чее давле­ние, МПа

Рас­ход жид­кос­ти, м3/ч

Сила давле­ния струи (в МПа) на расстоянии, мм

Частота вра­щения, об/мин

Частота генери­руемых импуль­сов давле­ния, Гц

Ра­диус раз - руше­ния об­разца, мм

80

160

Тур­бин- ки

Пре­рыва­теля

Без прерывателя

2,45

14,5

15

7

2900

-

52

80

С остановленным

2,45

14,5

50

20

0

-

10

150

Соплом

С жестким вра-

2,4

14,0

25

11

1800

80

125

120

Щающимся преры­

Вателем с нечет­

Ным числом пла­

Стин

То же, с четырьмя

2,35

13,0

45

19

2300

120

140

130

Пластинами (ши-

Рокими)

То же, с шестью

2,35

13,0

50

24

2100

40

210

145

Скошенными пла­

Стинами (узкими)

ГТР с жестким

2,3

13,5

25

10

2900

0

50

125

Неподвижным пре­

Рывателем

Гу струй не позволяет формировать равномерный по профилю забой. Поверхность состоит из лунок различной формы и глуби­ны. Если направить две струи под острым углом друг к другу, то они будут способны после формирования углублений скалывать промежуточную часть породы, выравнивая тем самым форми­руемый забой. В. Л. Гой предложил конструкцию струйного рас­ширителя, в которой две насадки установлены под острым углом друг к другу и выполнены с разными выходными сечениями. Оси насадок расположены на разном расстоянии от центра гид­ротурбины (рис. 4.23). Сечение первой насадки составляет 0,4­0,99 от сечения второй насадки.

Струйный расширитель работает следующим образом. На бу­рильных трубах инструмент спускают в скважину в интервал продуктивного пласта или участка проведения разглинизации, после чего подают по каналам промывочную жидкость через

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.23. Струйный расширитель с пересекающимися насадками:

1 - корпус; 2 - присоединительная резьба; 3 - подшипник; 4 - вращаю­щаяся часть; 5 - кольцевая полость; 6 - каналы; 7 - осевой канал; 8, 9 - подводящий канал; 10, 11 - насадки; 12, 13 - оси симметрии насадок; 14 - уплотнения

Гидромониторные насадки на разрушаемую породу. Использова­ние предлагаемого расширителя позволяет разрушать породу бо­лее длительным моментом воздействия струи, упрощает конст­рукцию инструмента и повышает его разрушающую способность за счет пересечения осей струй.

В ПО «Юганскнефтегаз» на скважинах Салымского месторо­ждения для расширения пилот-ствола в интервале продуктивно­го пласта использовали гидромониторный перфоратор АП-6М. На перфораторе были установлены четыре насадки с отверстия­ми диаметром 6 мм. Для расширения использовали насос У8-6М при давлении нагнетания 20 МПа и подаче 22 л/с. Перепад дав­ления на насадках составил 12 МПа при скоростях истечения струи 194 м/с (табл. 4.7).

Перфоратор спускали в скважину до кровли пласта и расши­ряли сверху вниз. Перед расширением в бурильную колонну бросили металлический шар, который перекрывал циркуляцион­ный клапан. Повышение давления в нагнетательной магистрали свидетельствовало о перекрытии клапана и нормальной работе гидромониторных насадок. Инструмент вращали с частотой 1,3 с 1 при скорости спуска 20 м/с.

Диаметр расширения увеличивается с ростом скорости исте­чения струи из гидромониторных насадок. Расширение скважин в интервале продуктивного пласта позволило увеличить продук­тивность нефтяных скважин на 10 % (см. табл. 4.7).

Эффективность работы гидроимпульсных, гидротурбинных и гидромониторных расширителей снижается из-за удаленности насадок от забоя, особенно после начального расширения. Во ВСЕГИНГЕО предложено техническое решение, позволяющее максимально приблизить сопла расширителя к обрабатываемому забою.

Гидроимпульсный расширитель (рис. 4.24) спускают на бу­рильных трубах в скважину. При вращении он проворачивается

Таблица 4.7

Результаты расширения скважин гидромониторным перфоратором типа АП-6М

Диаметр доло­та, мм

Скорость исте­чения струи, м/с

Тип раствора

Интервал рас­ширения, м

Диаметр кавер­ны после рас­ширения, мм

212,7

194

Глинистый

2723,4-2754,5

238-348

140,0

118

Эмульсионный

3036,0-3045,0

143-210

140,0

141

Глинистый

2743,0-2796,5

152-225

140,0

141

»

2798,2-2804,0

152-225

140,0

141

»

2809,0-2819,0

152-225

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.24. Гидроимпульсный расШи­Ритель ВСЕГИНГЕО:

I - замок; 2 - полость; 3 - корпус; 4 - кольцевая проточка; 5 - преры­ватель; 6 - вал; 7 - фиксатор; 8, 12 - торцевые грани лопастей;

9, 13 - стабилизирующие лопасти;

10, 15, 16 - внешние сечения сопел;

II - рабочая поверхность; 14, 17,

18 - сопла

Относительно своей оси до положения, в котором торцевые грани лопастей войдут в контакт со стенкой скважины. Вращающийся в результате трения о забой прерыватель периодически перекры­вает сопла, создавая тем самым гидравлические удары, способст­вующие интенсификации разрушения забоя. В начальной ста­дии - при установившемся движении расширителя - сопла на­правлены перпендикулярно к месту контакта рабочей поверхно­сти прерывателя с забоем, что позволяет максимально прибли­зить внешние сечения сопел и обрабатываемого забоя.

В процессе проработки скважины расширитель перемещают от кровли продуктивного интервала к подошве и обратно. При необходимости получения наибольшего профиля расширения проработку интервала продолжают, пока манометр бурового на­соса не покажет устойчивое изменение давления, свидетельст­вующее о создании такого расширенного контура, при котором отклонение расширителя от оси скважины будет недостаточным, чтобы обеспечить контакт прерывателя с забоем.

Надежной работа расширителя будет в случае превышения силы прижатия инструмента к стенке скважины реактивной си­лы струи жидкости, истекающих из сопел.

Сила прижатия расширителя к стенке скважины

Fn = 0,43 Q&2Rl, (4.24)

Где Q - вес 1 м бурильных труб; ю - угловая скорость вращения ротора; R - расстояние от оси скважины до оси корпуса расши­рителя; L - длина нижней полуволны бурильной колонны

L = 4,67 ЩЇ; (4.25)

qa

EJ - жесткость бурильных труб.

Для бурильных труб диаметром 60, 73 и 88 мм и частотой вращения ротора 120 об/мин значения прижимающей силы при­ведены в табл. 4.8. Реактивная сила струи

F=* (426)

Где К - коэффициент, учитывающий увеличение реактивной си­лы в результате гидроимпульсного прерывания потока жидкости (К и 2); Q - расход промывочной жидкости, р - плотность про­мывочной жидкости, D0 - диаметр выходного сечения сопла.

В реальных условиях сила прижатия колонны превышает ре­активную силу потока, истекающего из сопел, что обеспечивает надежный контакт насадок с породой и эффективное разрушение забоя. Существенную роль на эффективность расширения оказы­вает конструкция насадок. Разработана и внедрена новая конст­рукция крепления гидромониторного узла с использованием стандартных сопел ВНИИБТ (рис. 4.25).

В предлагаемом варианте в корпусе сверлится промывочное отверстие диаметром 24 мм, а затем ему придают форму, пока­занную на рис. 4.25. Уступ, образовавшийся при расточке, служит

Таблица 4.8

Диаметр труб d, мм

Длина полу­волны колон­ны l, м

Расстояние от оси скважины до корпуса рас­ширителя r, м

Жесткость труб EJ, 104 Н/м

Частота вра­щения рото­ра ю, с-1

Сила прижа­тия ґш 102 Н

60

12,60

0,117

8,364

12,56

10,00

73

13,96

0,111

19,278

12,56

16,09

88

15,63

0,103

37,332

12,56

20,61

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.25. Крепление гидромони­торного узла с использованием стан­дартных сопел ВНИИБТ:

1 - упорная гайка; 2 - резиновая манжета; 3 - сопло

Упором сопла 3, на который одета самоуплотняющаяся под дей­ствием перепада давления промывочной жидкости резиновая манжета 2, обеспечивающая герметизацию узла. Узел крепится с помощью кольцеобразной упорной гайки 1, вворачивающейся в корпус долота. Кольцевой уступ в корпусе и буртик на торцевой поверхности упорной гайки предотвращают осевое и радиальное смещения сопла. Высота проходного отверстия упорной гайки принята минимальной и равна 6-8 мм, а ее диаметр - 20 мм. На выходных кромках промывочного отверстия сняты фаски, что снижает размывающее действие струи. На наружной поверхности гайки нанесены крестообразные пазы для ее отворачивания, ко­торые в последнее время заменены глухими отверстиями под вилку.

Крепление узла с помощью наворачиваемой на резьбу гайки обеспечивает легкость разборки и смену сработавшихся насадок. Опрессовка долот с узлом описанной конструкции показала, что они способны выдерживать высокие давления.

При другом варианте крепления гидромониторного узла (рис. 4.26) насадка 5 уплотняется в корпусе долота 3 по наружному диаметру двумя резиновыми кольцами 4, предварительно с натя­гом вставленными в кольцевые канавки корпуса долота. Удержи­вается насадка от выпадения на забой шайбой с раструбом 1, из­готовленной из стали ШХ15, которая вставляется в выточку корпуса долота и закрепляется стопорным болтом 2.

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

I

Рис. 4.26. Вариант крепления гид­ромониторного узла Азинмаша

Наиболее широкое применение гидромониторные расширите­ли нашли в практике сооружения геотехнологических скважин и гидродобычи. Учитывая требования к конструкциям скважин данного назначения, предусматривающих расширение до большо­го диаметра, создание подземных камер, разработка инструмента осуществлялась двумя путями. Первый заключается в снижении пластового давления и осушении ствола скважины до интервала, в котором работает гидромонитор. Работа расширителя в этом случае сопровождается откачкой эрлифтом или гидроэлеватором. При работе гидромонитора в воздушной среде его разрушающее воздействие многократно увеличивается в сравнении со скважи­ной, заполненной жидкостью. В связи с этим появляется воз­можность создания в интервале расширения полостей сущест­венных размеров.

Применение данного метода осушения возможно только при наличии продуктивных пластов сухих или с низкими пластовы­ми давлениями. В противном случае снижение динамического уровня до глубины залегания обильного продуктивного интерва­ла технологически сложно и экономически неоправдано.

Второй путь заключается в создании гидромониторов, насадки которых по мере разработки пласта смещаются внутрь камеры вслед за забоем (рис. 4.27). При работе гидромонитора с гибким наконечником насадка имеет возможность максимально прибли­жаться к забою, увеличивая тем самым эффективную силу, кото­рая разрушает породу. Внедрение инструмента показало, что со временем пространство между шлангом и направляющей забива­ется песком, гибкость его снижается, и уменьшается эффектив­ность разрушения породы. Существует много технических реше­ний, основанных на создании инструмента, который способен изменять свою конфигурацию после спуска в скважину и углуб­ляться внутрь пласта, но все эти устройства сложны.

Для создания полостей, характеризующихся увеличением диаметра от нижней к верхней границе продуктивного пласта, в Русбурмаш разработан инструмент, сочетающий в себе гидроэле­ватор и сваб (рис. 4.28).

При спуске в скважину 4 через отверстия в свабе жидкость свободно циркулирует через снаряд, что обеспечивает минималь­ное гидродинамическое давление на пласт, а следовательно и минимальную возможность его кольматации. После достижения гидроэлеватором забоя снаряд поднимают сначала плавно. От­верстия в свабе 2 перекрываются и создается репрессия на пласт. Часть породы продуктивного пласта обрушается и ею заполняет­ся ствол скважины (см. рис. 4.28, а). Инструмент спускают, включив промывку. Движение рабочего потока жидкости создает

Рис. 4.27. Скважинный гидромонитор (б) с подвижной насадкой (я)

Разряжение в приемной полости гидромонитора, который работа­ет наподобие земснаряда (см. рис. 4.28, б). Обрушенная порода из скважины через гидромонитор удаляется из ствола. После достижения гидромонитором забоя 9, инструмент поднимают, но уже на большей скорости.

Обрушается следующая часть породы, которая затем также выносится. Разработку каверны осуществляют до момента, когда депрессия на пласт при свабировании превысит расчетное пони­жение при эксплуатации. В этом случае в скважине образуется полость, на стенках которой поддерживается постоянный перепад давления при заданных режимах эксплуатации и равновесная суффозионная устойчивость.

При разработке полости следует обязательно определить ус­тойчивость кровли с тем, чтобы вышезалегающие слабопрони­цаемые породы не обрушились в продуктивный интервал и не экранировали его. Рассчитать устойчивость можно по методике, аналогичной для бесфильтровых скважин. Сваб желательно ус-

ГИДРОМОНИТОРНЫЕ РАСШИРИТЕЛИ

Рис. 4.28. Инструмент Русбурмаш:

1 - клапан; 2 - сваб; 3 - уплотнения; 4 - скважина; 5 - водоподъемная колонна; 6 - бурильные трубы; 7 - гидроэлеватор; 8 - каверна; 9 - забой; 10 - ствол под

Отстойник

Тановить в колонне обсадных труб для повышения эффективно­сти свабирования и снижения износа резинового элемента.

Гидромониторные, гидроимпульсные и гидротурбинные рас­ширители из-за низкой эффективности разрушения породы, за исключением последней конструкции, почти не применяются в практике. В большинстве случаев их используют для удаления глинистой корки при спуске фильтровой колонны. Для увеличе­ния диаметра скважин под гравийную обсыпку эти расширители мало пригодны из-за неравномерности создаваемого забоя, низ­кодальнобойной силы струи в стволе скважины, заполненном жидкостью. Гидромониторные насадки обычно используют для вспомогательного эффекта, устанавливая их в различных вариан­тах на эксцентричных и раздвижных расширителях.

Прогрессивные технологии сооружения скважин

ТЕХНОЛОГИЯ НАМЫВА ГРАВИЙНОГО ФИЛЬТРА ПРИ УРАВНОВЕШЕННОМ ДАВЛЕНИИ

При сооружении гравийного фильтра необходимо поддержи­вать репрессию на пласт, при которой обеспечивается устойчи­вость стенок скважины и исключается поступление в обсыпку инородных примесей. С другой стороны, при намыве гравия в жидкостях-носителях, …

ИЗОЛЯЦИЯ ПЛАСТОВ

В процессе сооружения высокодебитных скважин различного назначения повышаются требования к изоляции пластов. Прони­цаемые пласты сложены обычно трещиноватыми или обломоч­ными породами, песками, цементирование которых традицион­ными методами затруднительно. В процессе бурения ствол …

ОПЕРАТИВНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕБИТА СКВАЖИН

В процессе сооружения, опробования или ремонта скважин часто необходимо оперативно определить дебит скважины, оце­нить гидродинамическое состояние околоскважинной зоны пла­ста, обсыпки и фильтра. Традиционно такие данные можно по­лучить при откачке, которая …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.