буровой инструмент для бурения нефтяных, газовых и геотермических скважин

Формула изобретения

1. Буровой инструмент, предназначенный для бурения нефтяных, газовых или геотермических скважин, приводимый во вращательное движение приводным органом, передающим этому инструменту также и усилие подачи, и образованный двумя основными органами, один из которых представляет собой полый вал, присоединенный одним из своих концов к приводному органу, а другой представляет собой глухой трубчатый корпус, называемый корпусом инструмента, на закрытом конце которого снаружи расположены режущие кромки и открытый конец которого обеспечивает возможность прохождения полого вала, причем основные органы этого бурового инструмента связаны между собой шарнирной связью в виде шарового шарнира, а полый вал выполнен с возможностью передачи крутящего бурового момента на корпус бурового инструмента при помощи содержащегося между полым валом и корпусом инструмента промежуточного элемента, находящегося в механической связи с каждым из основных органов, при этом шарнирная связь является односторонней, таким образом, что она способна передавать от полого вала к корпусу инструмента только усилия, направленные в сторону движения подачи, отличающийся тем, что передачу крутящего бурового момента на корпус бурового инструмента выполняют при помощи системы передачи так называемой "переменной конфигурации", промежуточный элемент которой охватывает упомянутый полый вал, а шарнирная связь между основными органами бурового инструмента выполнена сферической, при этом шаровой шарнир этой связи размещен на дне глухой части корпуса инструмента, на упомянутом корпусе инструмента размещен стабилизатор, расположенный на его открытом конце на расстоянии от центра шарового шарнира, составляющем по меньшей мере 2,5 диаметра наружной части корпуса данного инструмента, а система передачи переменной конфигурации отделена от шарового шарнира и расположена с той же стороны этого шарового шарнира, что и стабилизатор.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что упомянутая сферическая связь расположена на самом дне корпуса инструмента таким образом, что центр шарового шарнира, который реализует одностороннюю сферическую связь, перенесен как можно дальше в направлении движения подачи данного бурового инструмента.

3. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что упомянутая система передачи переменной конфигурации образована муфтой, размещенной в корпусе инструмента и несущей на одном из своих концов внутренний прямой зубчатый венец, а на другом конце - наружный выпуклый зубчатый венец, при этом внутренний прямой зубчатый венец выполнен с возможностью зубчатого зацепления с наружным выпуклым зубчатым венцом, который жестко связан с полым валом, и имеет то же количество зубьев, что и внутренний прямой зубчатый венец муфты, а наружный зубчатый выпуклый венец муфты выполнен с возможностью зацепления с внутренним прямым зубчатым венцом с тем же количеством зубьев, жестко связанным с корпусом инструмента таким образом, чтобы образовать деформируемое соединение между полым валом и корпусом инструмента, причем точечная дополнительная опора муфты на один из основных органов бурового инструмента односторонним образом ограничивает абсолютное поступательное перемещение этой муфты без ограничения относительных степеней свободы.

4. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что стабилизатор, расположенный вблизи открытого конца корпуса инструмента, находится во вращательной связи с корпусом инструмента.

5. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что двойная деформируемая система герметизации изолирует между полым валом и корпусом инструмента масляную камеру, содержащую шаровой шарнир и передаточное соединение, а двойная система герметизации образована передней мембраной, которая в свободном состоянии имеет трубчатую форму с фланцем, расположенным на одном из ее концов, причем часть этой мембраны, имеющая трубчатую форму, вставлена во внутреннюю поверхность полого вала, а фланец этой мембраны вставлен в корпус инструмента, и задней мембраной, форма которой в свободном состоянии имеет вид усеченного конуса и которая связана с наружной поверхностью полого вала и с внутренней поверхностью корпуса инструмента таким образом, чтобы ее основание малого диаметра было расположено со стороны открытой части корпуса инструмента, при этом корпус инструмента на высоте расположения задней мембраны имеет боковые отверстия, обеспечивающие возможность подачи потока поднимающего вверх внутри корпуса инструмента бурового раствора, создавая вдоль этой задней мембраны эффект омывания, препятствующий осаждению твердых частиц между мембраной и корпусом инструмента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровому инструменту, предназначенному для бурения нефтяных, газовых или геотермических скважин, приводимому во вращательное движение либо непосредственно с поверхности при помощи вращающейся колонны буровых труб или штанг, либо при помощи донного двигателя.

Из авторского свидетельства СССР N 866107 (кл. E 21 B 17/00, опубл. 1981) известен буровой инструмент, предназначенный для бурения нефтяных, газовых или геотермических скважин, приводимый во вращательное движение приводным органом, передающим этому инструменту также и усилие подачи, и образованный двумя основными органами, один из которых представляет собой полый вал, присоединенный одним из своих концов к приводному органу, а другой представляет собой глухой трубчатый корпус, называемый корпусом инструмента, на закрытом конце которого снаружи расположены режущие кромки и открытый конец которого обеспечивает возможность прохождения полого вала, причем основные органы этого бурового инструмента связаны между собой шарнирной связью в виде шарового шарнира, а полый вал выполнен с возможностью передачи крутящего бурового момента на корпус бурового инструмента при помощи содержащегося между полым валом и корпусом инструмента промежуточного элемента, находящегося в механической связи с каждым из основных органов, при этом шарнирная связь является односторонней, таким образом, что она способна передавать от полого вала к корпусу инструмента только усилия, направленные в сторону движения подачи.

Однако известный буровой инструмент не обладает динамическими характеристиками при эксплуатации, независимыми от паразитных движений приводного органа.

Технической задачей настоящего изобретения является создание бурового инструмента, обладающего хорошими динамическими характеристиками, независимыми от паразитных движений приводного органа, при том, что эта относительная независимость не мешает данному буровому инструменту самому реагировать на наиболее мешающие вибрации, порождаемые процессом бурения, точнее, режущим движением, и без возможности перехода двух органов этого бурового инструмента в состояние заклинивания.

Данная техническая задача решается за счет того, что в буровом инструменте, предназначенном для бурения нефтяных, газовых или геотермических скважин, приводимом во вращательное движение приводным органом, передающим этому инструменту также и усилие подачи, и образованном двумя основными органами, один из которых представляет собой полый вал, присоединенный одним из своих концов к приводному органу, а другой представляет собой глухой трубчатый корпус, называемый корпусом инструмента, на закрытом конце которого снаружи расположены режущие кромки и открытый конец которого обеспечивают возможность прохождения полого вала, причем основные органы этого бурового инструмента связаны между собой шарнирной связью в виде шарового шарнира, а полый вал выполнен с возможностью передачи крутящего бурового момента на корпус бурового инструмента при помощи содержащегося между полым валом и корпусом инструмента промежуточного элемента, находящегося в механической связи с каждым из основных органов, при этом шарнирная связь является односторонней, таким образом, что она способна передавать от полого вала к корпусу инструмента только усилия, направленные в сторону движения подачи, согласно изобретению передачу крутящего бурового момента на корпус бурового инструмента выполняют при помощи системы передачи так называемой "переменной конфигурации", промежуточный элемент которой охватывает упомянутый полый вал, а шарнирная связь между основными органами бурового инструмента выполнена сферической, при этом шаровой шарнир этой связи размещен на дне глухой части корпуса инструмента, на упомянутом корпусе инструмента размещен стабилизатор, расположенный на его открытом конце на расстоянии от центра шарового шарнира, составляющем по меньшей мере 2,5 диаметра наружной части корпуса данного инструмента, а система передачи переменной конфигурации отделена от шарового шарнира и расположена с той же стороны этого шарового шарнира, что и стабилизатор.

Сферическая связь может быть расположена на самом дне корпуса инструмента таким образом, что центр шарового шарнира, который реализует одностороннюю сферическую связь, перенесен как можно дальше в направлении движения подачи данного бурового инструмента.

Система передачи переменной конфигурации может быть образована муфтой, размещенной в корпусе инструмента и несущей на одном из своих концов внутренний прямой зубчатый венец, а на другом конце - наружный выпуклый зубчатый венец, при этом внутренний прямой зубчатый венец выполнен с возможностью зубчатого зацепления с наружным выпуклым зубчатым венцом, который жестко связан с полым валом и имеет то же количество зубьев, что и внутренний прямой зубчатый венец муфты, а наружный зубчатый выпуклый венец муфты выполнен с возможностью зацепления с внутренним прямым зубчатым венцом с тем же количеством зубьев, жестко связанным с корпусом инструмента таким образом, чтобы образовать деформируемое соединение между полым валом и корпусом инструмента, причем точечная дополнительная опора муфты на один из основных органов бурового инструмента односторонним образом ограничивает абсолютное поступательное перемещение этой муфты без ограничения относительных степеней свободы.

Стабилизатор, расположенный вблизи открытого конца корпуса инструмента может находиться во вращательной связи с корпусом инструмента.

Двойная деформируемая система герметизации может изолировать между полым валом и корпусом инструмента масляную камеру, содержащую шаровой шарнир и передаточное соединение, а двойная система герметизации образована передней мембраной, которая в свободном состоянии имеет трубчатую форму с фланцем, расположенным на одном из ее концов, причем часть этой мембраны, имеющая трубчатую форму, вставлена во внутреннюю поверхность полого вала, а фланец этой мембраны вставлен в корпус инструмента, и задней мембраной, форма которой в свободном состоянии имеет вид усеченного конуса и которая связана с наружной поверхностью полого вала и с внутренней поверхностью корпуса инструмента таким образом, чтобы ее основание малого диаметра было расположено со стороны открытой части корпуса инструмента, при этом корпус инструмента на высоте расположения задней мембраны имеет боковые отверстия, обеспечивающие возможность подачи потока поднимающегося вверх внутри корпуса инструмента бурового раствора, создавая вдоль этой задней мембраны эффект смывания, препятствующий осаждению твердых частиц между мембраной и корпусом инструмента.

Далее изобретение будет пояснено подробно со ссылкой на чертеж, на котором представлен частичный разрез бурового инструмента согласно изобретению.

На чертеже можно видеть два основных конструктивных элемента или органа этого бурового инструмента: полый вал 1 и корпус инструмента 2 в виде глухой трубчатой детали, на закрытом или глухом конце которой располагаются режущие пластины 22.

Полый вал 1 присоединен одним из своих концов к приводному органу, не показанному, при помощи конической резьбы 3. Другим своим концом упомянутый вал 1 входит в сферический контакт с корпусом инструмента 2 при помощи шарового шарнира, размещенного в замкнутом или глухом конце корпуса инструмента и образованного элементом 4, на котором располагается охватываемая поверхность этого шарового шарнира и который жестко связан с корпусом инструмента, и элементом 5, на котором располагается охватывающая поверхность шарнира и который жестко связан с полым валом.

Подобные друг другу в данном шаровом шарнире охватываемая и охватывающая поверхности, находящиеся в контакте, центрированы в точке А, которая здесь называется центром шарового шарнира. Полый вал 1 и корпус А инструмента 2 находятся в еще одной связи при помощи муфты б, на которой располагается зубчатый венец с внутренними прямыми зубьями 7 и зубчатый венец с наружными выпуклыми зубьями 8. Внутренний зубчатый венец с прямыми зубьями 7 упомянутой муфты входит в зубчатое зацепление с наружным выпуклым зубчатым венцом 9 с тем же количеством зубьев, нарезанным на детали 10, жестко связанной с полым валом данного бурового инструмента, а наружный выпуклый зубчатый венец 8 муфты входит в зубчатое зацепление с внутренним прямым зубчатым венцом 11 с тем же количеством зубьев, жестко связанным с корпусом инструмента.

Таким образом, эта вторая связь между полым валом и корпусом инструмента представляется в виде деформируемого соединения, причем муфта 6 имеет дополнительный точечный контакт при помощи поверхности 12 с частью 5 шарового шарнира для того, чтобы ограничить в направлении вперед абсолютное перемещение муфты.

Упомянутая выше сферическая связь, реализованная при помощи шарового шарнира 4, 5 является в данном случае односторонней, то есть способной передавать от полого вала к корпусу инструмента только усилие, направленное в сторону движения подачи или поступательного движения данного бурового инструмента, поэтому предусмотрен механический контакт замещения между поверхностью 13, связанной с полым валом, и поверхностью 14, связанной с корпусом инструмента, в процессе опускания или поднятия данного бурового инструмента для того, чтобы обеспечить возможность передачи в процессе выполнения этих операций некоторого усилия, воздействующего со стороны полого вала на корпус инструмента в направлении, противоположном тому направлению, в котором способен передавать усилия упомянутый шаровой шарнир.

Две системы герметизации, использующие соответственно мембраны 15 и 16, изолируют от бурового раствора между полым валом и корпусом инструмента масляную камеру 17, содержащую смазочный материал, необходимый для шарового шарнира и соединения передачи крутящего момента.

Упомянутая мембрана 15 (передняя мембрана), форма которой в свободном состоянии представляет собой трубку с фланцем на одном из ее концов, вставлена своей частью трубчатой формы во внутреннюю поверхность полого вала, а своей частью, выполненной в форме фланца, она вставлена в корпус инструмента. Эта мембрана, которая отделяет поток опускающегося вниз бурового раствора, подаваемого под высоким давлением, от смазочного материала, содержащегося в упомянутой масляной камере, находится в полном соответствии с металлическими поверхностями на большей части своей протяженности и она является свободной на протяжении своей поверхности, совершенно достаточной для того, чтобы эта мембрана имела необходимую деформируемость при относительных отклонениях полого вала и корпуса инструмента в процессе функционирования данного бурового инструмента, а также в процессе его опускания или подъема, для того, чтобы обеспечить возможность вхождения в контакт упомянутых выше поверхностей 13 и 14.

Мембрана 16 или задняя мембрана, форма которой в свободном состоянии представляет собой усеченный конус, связана по периметру своего основания меньшего диаметра с наружной поверхностью полого вала и связана по периметру своего основания большего диаметра с внутренней поверхностью корпуса инструмента таким образом, чтобы ее основание меньшего диаметра располагалось со стороны открытой части корпуса инструмента.

Боковые отверстия 18 выполнены в корпусе данного инструмента на высоте расположения упомянутой мембраны 16 таким образом, чтобы подвести в это место поток поднимающегося вверх внутри корпуса инструмента бурового раствора и создать таким образом вдоль задней поверхности упомянутой мембраны эффект смывания, исключающий всякую возможность осаждения твердых частиц в окрестности этой мембраны.

Предлагаемый буровой инструмент содержит стабилизатор 19 в окрестности открытого конца корпуса этого инструмента. В схематически представленном здесь варианте практической реализации предлагаемого изобретения этот стабилизатор 19 находится во вращательной связи с корпусом инструмента посредством подшипников качения 20 и 21, смазываемых отдельно густой смазкой в процессе монтажа и технического обслуживания данного бурового инструмента.

Далее будут рассмотрены два возможных варианта функционирования бурового инструмента, являющегося объектом предлагаемого изобретения.

В первом из этих вариантов ось полого вала 1, присоединенная к приводному органу, удерживается этим органом на оси уже пробуренной части скважины и данный буровой инструмент вследствие встречаемых им условий резания стремится начать прецессионное движение. Положение центра шарового шарнира, с которым идентифицируется вершина конуса прецессии, позволяет корпусу инструмента спонтанно реагировать на наклон, который является следствием усилий резания: эти условия сами стремятся перевести корпус 2 инструмента в положение соосности с полым валом 1 и при этом чувствительность будет тем большей, чем дальше центр шарового шарнира располагается от контактных поверхностей этого шарнира в направлении движения подачи данного бурового инструмента. В этом случае действие стабилизатора 19 не допускает того, чтобы относительный наклон инструмента становился достаточным для достижения механического контакта между полым валом 1 и корпусом 2 инструмента на его открытом конце до того, как вступит в действие самопроизвольная реакция данного инструмента.

Во втором из рассматриваемых вариантов предполагается, что деформация приводного органа заставляет ось полого вала 1 отклоняться от оси уже пробуренной скважины. В этом случае ось полого вала 1 описывает относительно оси скважины некоторый конус, вершина которого совпадает с центром шарового шарнира. Корпус 2 инструмента стремится следовать за полым валом 1 в этом движении, но стабилизатор 19 этому мешает и особенно эффективно в том случае, когда данный стабилизатор 19 находится во вращательной связи с корпусом 2 инструмента, таким образом, этот корпус 2 продолжает поступательно перемещаться вдоль оси скважины независимо от возмущенного движения, которое деформированный тем или иным образом приводной орган сообщает полому валу.

Расположение шарового шарнира на самом дне корпуса 2 инструмента позволяет перенести центр этого шарового шарнира как только возможно дальше в направлении движения подачи без слишком большого ослабления направляющих возможностей сферической связи в боковом направлении. Однако эта сферическая связь становится односторонней и должен быть, таким образом, предусмотрен переменный или чередующийся контакт между двумя основными органами данного бурового инструмента для того, чтобы обеспечить возможность опускания и поднятия этого инструмента без риска потерять или уронить его корпус.

Перенося таким образом центр шарового шарнира как можно дальше в указанном направлении, удается улучшить динамические характеристики данного инструмента и увеличить для данного заострения корпуса этого инструмента расстояние между центром шарового шарнира и стабилизатором 19.

В том случае, когда поверхности, находящиеся в контакте в шаровом шарнире и в системе передачи, являются металлическими, смазка этих поверхностей является необходимой не только для их сохранения, но и для того, чтобы уменьшить в этих механических контактах усилия трения, которые отдаляют динамические характеристики реального бурового инструмента от его идеальных характеристик. Таким образом, в случае необходимости, предусматривается изоляция между корпусом 2 инструмента и его полым валом 1 некоторой камеры 17 со смазочным материалом, содержащей шаровой шарнир и систему передачи переменной конфигурации. Эта камера 17 ограничена некоторой двойной деформируемой системой герметизации, допускающей относительные движения корпуса 2 инструмента и его полого вала 1, освобожденных при помощи шарового шарнира, и обеспечивающей возможность удерживать содержащийся в камере смазочный материал под давлением, близким к давлению потока бурового раствора, поднимающегося на поверхность.