установка для бурения скважин с очисткой забоя пеной

Формула изобретения

1. Установка для бурения скважин с очисткой забоя пеной, включающая подъемный агрегат, устройство для вращения оснащенной вертлюгом бурильной колонны, воздушный компрессор низкого давления и циркуляционную систему, включающую устройство для генерации пены, блок разрушения пены и шламоотделитель, отличающаяся тем, что устройство для генерации пены включает дожимающий компрессор с гидрозатвором и нагнетателем возвратно-поступательного типа и питательный насос для образования гидрозатвора, причем дожимающий компрессор сообщен с одной стороны через узел замера расхода и плотности флюида с оснащенной устройством для подачи эмульгатора смесительной емкостью и с вертлюгом, а с другой стороны через регулирующий дроссель - со шламоотделителем, при этом последний сообщен через блок разрушения пены, включающий сепаратор-дегазатор низкого давления и устройство для подачи деэмульгатора, с устьем скважины, а через питательный насос - с дожимающим компрессором.

2. Установка для бурения скважин с очисткой забоя пеной по п.1, отличающаяся тем, что воздушный компрессор низкого давления сообщен с дожимающим компрессором через газоразделительный мембранный блок.

3. Установка для бурения скважин с очисткой забоя пеной по п.1, отличающаяся тем, что блок разрушения пены сообщен с устройством для сжигания углеводородного газа при поступлении его из скважины.

4. Установка для бурения с очисткой забоя пеной по п.1, отличающаяся тем, что устьевое оборудование скважины оборудовано герметизатором устья, например вращающимся превентором.

Описание изобретения к патенту

Настоящее предлагаемое изобретение относится к области оборудования для бурения скважин с очисткой забоя пеной, и в частности, к буровым установкам, оснащенным рядом приспособлений, включающих комбинацию из двух компрессоров, используемых при приготовлении пены.

Бурение скважин с очисткой забоя пенами является прогрессивной технологией, используемой в процессе строительства нефтяных скважин при аномально низком давлении пласта (в условиях поглощения), водозаборных скважин, а также при бурении скважин на твердые полезные ископаемые, бурении в мерзлоте. Бурение может осуществляться различными способами и в разнообразных теологических и горно-технических условиях. Технология бурения с очисткой забоя пеной и требования к оборудованию для этого способа изложены в книге А.В.Амияна «Применение двухфазных пен в нефтедобыче», М., «Высшая школа», 1983.

Там же дана принципиальная схема наземного оборудования для подачи пены в скважину (рис.11, стр.51) и изложены требования к наземному манифольду.

Способ вскрытия продуктивных пластов с применением пен в условиях аномально низких пластовых давлений разработан также в СевКавНИПИгазе. Там же разработаны отдельные узлы оборудования (блок приготовления пены, вращающийся превентор, блок очистки и разрушения пены), а также принципиальная схема расположения бурового оборудования при бурении на пене.

Вместе с тем до настоящего времени в РФ и за рубежом не выпускается специализированных буровых установок для бурения на пене.

За прототип заявляемого технического решения может быть принята буровая установка для бурения с пневмотранспортом керна и газожидкостными смесями, описанная в книге Д.Н.Башкатова, А.В.Панкова и А.М.Коломийца «Прогрессивная технология бурения гидрогеологических скважин», М., «Недра», 1992, стр.195, рис.6.15.

Эта установка включает смонтированный на автомобиле подъемный и вращательный агрегат, бурильную колонну, оснащенную вертлюгом, воздушный компрессор низкого давления, пеногенератор, керношламоуловитель, являющийся также устройством для разрушения пены (керношламоуловитель циклонного типа), и емкость с раствором ПАВ.

Технология бурения с этой установкой заключается в следующем. В емкости готовится раствор пенообразователя, который дозировочным насосом подается в смеситель, куда также подводят сжатый воздух от компрессора. Выходящая из смесителя пена подается на забой скважины и возвращается, попадая на поверхности в керношламоуловитель, где она разрушается, и от нее отделяется вынесенный с забоя скважины шлам.

Обладая рядом преимуществ, эта установка имеет и существенные недостатки, излагаемые ниже.

Один из недостатков - малая мощность компрессора, которая не позволяет применять установку при бурении относительно глубоких водозаборных и нефтяных скважин, когда требуется значительное давление подаваемой на забой пены. Давление компрессора в этом случае может достигать 10÷20 МПа. Такие компрессоры поршневого типа являются дорогостоящим оборудованием, имеют значительную мощность и массу, сложны в эксплуатации, требуют оборудования для подготовки воздуха и межступенчатого охлаждения. В РФ они не выпускаются, как и многоступенчатые объемные компрессоры для компримирования газа на указанные давления. Кроме того, применение многоступенчатых компрессоров, где процесс сжатия газа осуществляется в нескольких последовательно соединенных между собой цилиндрах с промежуточным охлаждением после каждого сжатия, значительно усложняет конструкцию буровой установки и снижает ее надежность.

Другой недостаток связан с возможностью аварии из-за выделяющегося при вскрытии пласта углеводородного газа, дающего при смеси с воздухом взрывоопасную смесь. Это касается бурения (вскрытия пласта) на пене. Прототип не предусматривает никаких средств, которые позволили бы избежать образования взрывоопасной смеси или сжигания выделяющегося углеводородного газа.

Таким образом, основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее предлагаемое изобретение, является устранение указанных недостатков и создание такой установки для бурения скважин с очисткой забоя пеной, которая позволяла бы применять ее при бурении глубоких водозаборных скважин и при вскрытии углеводородных пластов с аномально низкими пластовыми давлениями, обеспечивая подачу пены на забой скважины с высоким давлением и предупреждая образование взрывоопасной смеси при выделении из пласта углеводородного газа.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что установка для бурения скважин с очисткой забоя пеной включает подъемный агрегат, устройство для вращения оснащенной вертлюгом бурильной колонны, воздушный одноступенчатый компрессор низкого давления и циркуляционную систему, включающую устройство для генерации пены, блок разрушения пены и шламоотделитель. Характерной особенностью установки является то, что устройство для генерации пены включает дожимающий компрессор с гидрозатвором и нагнетателем возвратно-поступательного типа и питательный насос для образования гидрозатвора, при этом дожимающий компрессор сообщен с одной стороны через узел замера расхода и плотности флюида со смесительной емкостью, оснащенной устройством для подачи поверхностно-активного вещества (эмульгатора), и вертлюгом, а с другой стороны через регулирующий дроссель - со шламоотделителем. Последний сообщен через блок разрушения пены, включающий сепаратор-дегазатор низкого давления и устройство для подачи деэмульгатора с устьем скважины, а через питательный насос - с дожимающим компрессором.

Воздушный одноступенчатый компрессор низкого давления может быть сообщен с дожимающим компрессором через газоразделительный мембранный блок для получения азота из воздуха. Блок разрушения пены может быть оснащен устройством для сжигания углеводородного газа при поступлении его из скважины.

Возможность осуществления заявляемого технического решения доказывается успешным использованием в отечественной и зарубежной практике оборудования для бурения скважин с очисткой забоя от шлама пенами, оборудования для дожимания газов, газоразделительных блоков и т.д.

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемой установки (выполнение устройства для генерации пены с дожимающим компрессором с гидрозатвором и нагнетателем возвратно-поступательного действия, указанная выше взаимосвязь отдельных узлов установки, оснащение ее газоразделительным мембранным блоком, установленным между воздушным компрессором с гидрозатвором, установка устройства для сжигания углеводородного газа на блоке для разрушения пены и т.д.), необходимы и достаточны для создания установки для бурения с очисткой забоя скважины пеной, поскольку обеспечивают решение поставленной выше технической задачи - создание установки указанного типа, пригодной для бурения глубоких водозаборных скважин и разведочных и эксплуатационных нефтяных скважин с аномально низкими пластовыми давлениями при обеспечении высокого давления подаваемой на забой пены без использования мощных и дорогостоящих воздушных компрессоров и с обеспечением безопасности бурения с пеной в случае выделения из пласта углеводородного газа, дающего в смеси с воздухом взрывоопасную смесь.

В дальнейшем настоящее предполагаемое изобретение поясняется примером его выполнения, схематически изображенном на прилагаемом чертеже, где показана принципиальная схема заявляемой установки для бурения скважин с очисткой забоя пеной.

В соответствии с заявляемым техническим решением установка для бурения с очисткой забоя пеной включает подъемный агрегат 1, устройство 2 для вращения бурильной колонны 3, вертлюг 4, воздушный компрессор низкого давления 5, сообщенный с циркуляционной системой установки. Циркуляционная система в целом обозначена позицией 6. Она включает устройство для генерации пены, в которое входят воздушный компрессор низкого давления 5, сообщенный с дожимающим компрессором 7 с гидрозатвором и нагнетателем возвратно-поступательного типа.

Дожимающий компрессор может быть выполнен по заявке №2003137074/20 (040196) от 22 января 2004 г. (автор В.Н.Мартынов). Его действие будет изложено ниже в разделе, описывающем работу заявляемой буровой установки. Дожимающий компрессор 7 сообщен с сепаратором высокого давления 8. Последний через узел замера расхода и плотности флюида 9 сообщен со смесительной емкостью 10 и вертлюгом 4. Кроме того, циркуляционная система включает сепаратор-дегазатор низкого давления 11, сообщенный с герметизированным с помощью известного типа герметизатора 12 устьем скважины 13, и шламоотделитель 14, сообщенный с питательным насосом 15, связанным с дожимающим компрессором 7 с гидрозатвором. Сепаратор высокого давления 8 через регулирующий дроссель 20 сообщен со шламоотделителем 14.

Сепаратор-дегазатор низкого давления 11 оснащен устройством для подачи деэмульгатора 16 и устройством 17 для сжигания углеводородного газа, который может поступать из скважины в процессе бурения и отделяться сепаратором низкого давления 11. Воздушный компрессор низкого давления 5 сообщен с дожимающим компрессором 7 с гидрозатвором через газоразделительный мембранный блок 18. Этот блок служит для получения азота из воздуха. Установки для осуществления мембранной технологии получения азота (например, установки, разработанные отечественной фирмой «РАНКО») имеют многолетний положительный опыт промышленной эксплуатации в различных отраслях. Смесительная емкость 10 оснащена устройством 19 для подачи в газожидкостную смесь эмульгатора в соответствии с технологией, описанной в указанных выше источниках - книге Д.Н.Башкитова и др. и «Справочнике по бурению геолого-разведочных скважин» И.С.Афанасьева и др.

Работа заявляемой установки осуществляется следующим образом. При проходке скважины ведется обычный процесс вращательного бурения, при котором вращение бурильной колонны осуществляется устройством 3 известного типа, а спускоподъемные операции, наращивание бурильной колонны и подача инструмента на забой скважины - подъемным агрегатом 1. Очистка забоя скважины от шлама осуществляется пеной, создаваемой следующим образом.

Питательный насос 15 нагнетает в камеру сжатия (компрессионную камеру) дожимающего компрессора 7 жидкость из шламоотделителя 14, образуя в камере сжатия гидрозатвор.

От воздушного компрессора низкого давления 5 в камеру сжатия дожимающего компрессора 7 подается под низким давлением воздух, который при работе нагнетателя возвратно-поступательного действия дожимающего компрессора 7 сжимает поступивший в камеру сжатия от компрессора 5 воздух до требуемого давления и вытесняет его вместе с небольшой частью жидкости гидрозатвора (до 5%) через трубопровод 21 в сепаратор высокого давления 8, как это описано в указанной выше заявке №2003137074/20 от 22.01.2004 г. С помощью сепаратора 8 путем работы регулирующего дросселя 20 достигается требуемое соотношение газа и жидкости в образовавшейся газожидкостной смеси. Последняя, выходя из сепаратора 8, проходит через узел замера расхода и плотности флюида 9 (известного типа) в смесительную емкость 10, куда подается также устройством 19 (дозировочным насосом) жидкий эмульгатор (ПАВ). Образующаяся в емкости 10 пена поступает через вертлюг 4 в бурильную колонну 3 и далее на забой скважины, где она охлаждает долото и, захватив частицы разбуренной породы (шлам), выносит его на поверхность через герметизатор устья скважины 12, в качестве которого может быть использован вращающийся превентор или герметизатор другой конструкции (такие герметизаторы описаны в указанных выше источниках). Выходя из устья скважины, пена со шламом попадает в сепаратор-дегазатор низкого давления 11, оснащенный устройством для подачи деэмульгатора 16. Указанные устройства 11 и 16 образуют блок разрушения пены. Из этого блока жидкость со шламом поступает в шламоотделитель 14 известного типа, в котором шлам осаждается и отводится в сторону, а жидкость поступает в питательный насос 15, после чего цикл работы повторяется.

При наличии в скважине углеводородного газа последний выходит из нее вместе с пеной, отделяется в сепараторе-дегазаторе низкого давления 11 и направляется к устройству для сжигания газа 17 факельного типа. Для предотвращения образования в скважине взрывоопасной смеси в работу вводится газоразделительный мембранный блок 18, из которого в камеру сжатия дожимающего компрессора 7 поступает азот.

Таким образом, заявляемая установка позволяет бурить скважины с очисткой забоя пеной без использования дорогостоящих компрессоров высокого давления и в условиях выделения из пластов углеводородного газа, образующего с воздухом взрывоопасную смесь.