устройство для бурения скважин

Формула изобретения

1. Устройство для бурения скважин, содержащее два поверхностных привода, вертлюг-сальник межтрубного пространства, вертлюг-сальник для внутренней бурильной трубы, двойную бурильную колонну, включающую наружную и внутреннюю трубы, призабойную трансмиссию с пакером, включающим разжимаемый и разжимной узлы, отличающееся тем, что пакер размещен в верхней части корпуса трансмиссии на наружной трубе двойной бурильной колонны, при этом его разжимаемый узел установлен с возможностью удержания от осевого перемещения относительно корпуса трансмиссии посредством пружины, а на торцовой плите корпуса разжимаемого узла выполнены окна для перепуска жидкости, причем его разжимной узел установлен с возможностью свободного вращения относительно наружной трубы двойной бурильной колонны и совместно с последней имеет возможность осевого перемещения по направляющим штокам, установленным в торцовой плите корпуса разжимаемого узла, при этом на торцовой плите корпуса разжимаемого узла, по количеству окон для перепуска жидкости в разжимаемом узле установлены клапаны для перекрытия этих окон при осевом перемещении разжимного узла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертлюг-сальник межтрубного пространства соединен со штоками гидроцилиндров, корпуса которых жестко соединены с основанием устройства для бурения скважин.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на корпусе подвижного поверхностного привода внутренней трубы установлен вертлюг-сальник, сальниковая трубка которого проходит через полый шпиндель вращателя и герметично соединена с полостью внутренней трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике, а именно к оборудованию для бурения глубоких скважин большого диаметра планетарно-долотным способом.

Известно устройство для бурения скважин по патенту Российской Федерации N 2053367 (прототип), включающее два поверхностных привода, вертлюг-сальник межтрубного пространства и вертлюг-сальник для внутренней бурильной колонны, двойную бурильную колонну, призабойную трансмиссию с пакером, размещенным в нижней части корпуса трансмиссии и выполненным в виде корпуса, установленного с возможностью осевого перемещения относительно корпуса трансмиссии, размещенной с возможностью вращения на корпусе пакера кольцевой эластичной манжеты и кольца с наружной конусно-цилиндрической поверхностью, установленного на корпусе трансмиссии с возможностью вращения и размещения его при осевом перемещении между корпусом трансмиссии и манжетой. При этом для пропуска жидкости при спуско-подъемных операциях призабойная трансмиссия с пакером снабжена сквозными полыми патрубками с гидроклапанной системой для открытия и закрытия полостей этих патрубков.

Данное устройство имеет следующие недостатки.

Во-первых, конусно-цилиндрическое кольцо пакера, установленное на корпусе трансмиссии, и втулка кольцевой эластичной манжеты пакера, установленная на корпусе пакера, базируются своими поверхностями вращения на наибольших диаметрах призабойной трансмиссии и конструктивно способствуют увеличению моментов от сил трения, возникающих при вращении этих пар.

Во-вторых, расположение пакерного устройства в нижней части призабойной трансмиссии, непосредственно у забоя скважины, создает неблагоприятные условия для работы пар скольжения, так как пары скольжения (корпус пакера - втулка кольцевой эластичной манжеты) работают в зоне максимальной турбулизации потока жидкости обильно обогащенной твердыми частицами выбуренной породы, что способствует неконтролируемому возрастанию момента между парами скольжения вплоть до их заклинивания. Последнее приводит к выходу из строя пакерного устройства.

В-третьих, гидроклапанная система перепуска жидкости через призабойную трансмиссию и пакерное устройство из-за большого количества деталей и возможности утечек рабочей жидкости ненадежна при долгосрочной эксплуатации.

В-четвертых, отсутствие механизмов, обеспечивающих при малых глубинах скважин необходимое давление буровых долот на забой снижает эффективность бурения.

Цель изобретения - создание работоспособного и надежного устройства для планетарно-долотного бурения и повышение эффективности бурения.

Указанная цель достигается тем, что пакер размещен в верхней части корпуса трансмиссии на наружной трубе двойной бурильной колонны, при этом его разжимаемый узел установлен с возможностью удержания от осевого перемещения относительно корпуса трансмиссии посредством пружины, а на торцовой плите корпуса разжимаемого узла выполнены окна для перепуска жидкости, причем его разжимной узел установлен с возможностью свободного вращения относительно наружной трубы двойной бурильной колонны и совместно с последней имеет возможность осевого перемещения по направляющим штокам, установленным в торцовой плите корпуса разжимаемого узла, при этом на торцовой плите корпуса разжимного узла по количеству окон для перепуска жидкости в разжимаемом узле установлены клапаны для перекрытия этих окон при осевом перемещении разжимного узла.

Вертлюг-сальник межтрубного пространства соединен со штоками гидроцилиндров, корпусы которых жестко соединены с основанием устройства для бурения скважин.

На корпусе подвижного поверхностного привода внутренней трубы установлен вертлюг-сальник, сальниковая трубка которого проходит через полый шпиндель вращателя и герметично соединена с полостью внутренней трубы.

На фиг. 1 изображено устройство для бурения скважин; на фиг. 2 - пакерное устройство в раскрытом положении; на фиг. 3 - встроенный вертлюг-сальник внутренней трубы.

Устройство для бурения скважин состоит из призабойной трансмиссии 1, пакерного устройства 2, двойной бурильной колонны 3, конструкция которой аналогична конструкции прототипа, основания устройства 4, неподвижного поверхностного привода 5, ведущей трубы 6, вертлюг-сальника межтрубного пространства 7, гидроцилиндров 8, подвижного поверхностного привода 9 со встроенным вертлюгом-сальником для внутренней бурильной трубы 10.

Призабойная трансмиссия 1 состоит из корпуса 11, центральной полой шпиндель-шестерни 12, боковых полых шпиндель-шестерен 13, к которым жестко присоединяются буровые долота 14.

Пакерное устройство 2 состоит из разжимаемого узла 15, разжимного узла 16 и пружины 17.

Разжимаемый узел 15 состоит из корпуса 18, на котором установлены подшипники скольжения 19, кольцевая эластичная манжета 20, при этом в торцовой плите корпуса имеются окна 21 для перепуска жидкости и установлены направляющие штока 22.

Разжимной узел 16 состоит из корпуса 23, на котором установлены подшипники скольжения 24, упругие разжимные сегменты 25, клапаны 26, а на торцовой плите корпуса имеются направляющие окна 27 для штоков 22.

Двойная бурильная колонна 3 состоит из наружной бурильной трубы 28 и внутренней бурильной трубы 29. Элементы конструкции наружной и внутренней бурильных труб аналогичны прототипу.

Встроенный вертлюг-сальник 10 состоит из сальниковой трубки 30, уплотнительного узла 31, корпуса 32 и фланца с отводным гусаком 33.

Устройство для бурения скважин работает следующим образом.

Призабойная трансмиссия 1 со встроенным в верхней части пакерным устройством 2 соединяется с двойной бурильной колонной 3. При этом внутренняя бурильная труба 29 посредством подвижного соединения герметично соединяется с центральной полой шпиндель-шестерней 12, а наружная бурильная труба 28 жестко соединяется с корпусом 11 посредством замкового соединения. Последовательно наращивая двойную бурильную колонну 3, спускают призабойную трансмиссию 1 со встроенным пакерным устройством 2 на забой скважины.

Перед постановкой долот 14 на забой скважины включается подвижный поверхностный привод 9 внутренней бурильной трубы 29, который приводит во вращение буровые долота 14 вокруг собственных осей и неподвижный поверхностный привод 5 наружной бурильной трубы 28, который сообщает вращение корпусу 11 призабойной трансмиссии 1 и тем самым обеспечивается планетарное движение долот 14.

При постановке буровых долот 14 на забой скважины и создании осевого усилия на наружную бурильную трубу 28, последняя передает это усилие на разжимной узел 16 пакерного устройства 2 и корпус 11 призабойной трансмиссии 1. Разжимной узел 16 под действием осевого усилия, сжимая пружину 17, перемещается по направляющим штокам 22 до упора и упругими разжимными сегментами 25 распирает кольцевую эластичную манжету 20 до контакта со стенками скважины. При этом клапаны 26 перекрывают окна 21 для перепуска жидкости.

Таким образом, с момента начала бурения изолируется призабойная зона скважины от остальной ее поверхности.

Промывочная жидкость, необходимая для выноса выбуренной породы и охлаждения буровых долот, подается на забой через вертлюг-сальник межтрубного пространства 7, межтрубное пространство двойной бурильной колонны 3, корпус 11 и боковые полые шпиндель-шестерни 13 призабойной трансмиссии 1 на буровые долота 14. Омывая загерметизированный забой скважины, промывочная жидкость с выбуренной породой поступает в центральную полую шпиндель-шестерню 12 и затем по внутренней бурильной трубе 29 во встроенный вертлюг-сальник 10, из которого по гибкому шлангу подается в очистные устройства и далее в приемную емкость, расположенные на поверхности земли.

Удержание стенок скважины производится жидкостью, находящейся в скважине и не контактирующей в процессе бурения с промывочной жидкостью, охлаждающей буровые долота и выносящей на поверхность выбуренную породу. В процессе бурения производится долив жидкости, удерживающей стенки скважины. Для создания условий объемного разрушения горных пород при бурении скважин в начальный период, когда массы двойной бурильной колонны не хватает для создания необходимых усилий буровых долот на забой скважины, гидроцилиндрами 8 через корпус вертлюга-сальника 7, наружную бурильную трубу 28, корпус 11 призабойной трансмиссии 1 передаем на долота 14 требуемые усилия. Кроме того, гидроцилиндры 8 могут быть использованы и как домкраты при прихватах бурового инструмента в скважине.

Таким образом, предлагаемое техническое решение устройства для бурения скважин позволяет следующее.

Во-первых, за счет размещения пакерного устройства в верхней части призабойной трансмиссии перенести поверхности базирования вращающихся узлов пакерного устройства с корпуса призабойной трансмиссии на наружную бурильную трубу, у которой диаметр в несколько раз меньше диаметра корпуса призабойной трансмиссии, что конструктивно обеспечивает уменьшение моментов от сил трения, возникающих при вращении этих пар скольжения; ниже пары скольжения (поверхность наружной бурильной трубы - корпус разжимаемого узла) расположена призабойная трансмиссия, которая при перекрытии пакерным устройством забоя скважины от остальной ее поверхности является гасителем турбулентных возмущений, возникающих при бурении в потоке жидкости на забое скважины, что обеспечивает более благоприятные условия работы пар скольжения. Кроме того, предлагаемое техническое решение клапанно-запорной системы пакерного устройства является простейшим по сравнению с прототипом и, следовательно, более надежным.

Во-вторых, введение в состав устройства для бурения скважин узла гидроподачи бурового инструмента, состоящего из гидроцилиндров, связанных посредством вертлюга-сальника межтрубного пространства, наружной бурильной трубы и призабойной трансмиссии с буровыми долотами, позволяет поддерживать независимо от глубины скважины такое осевое усилие буровых долот на забой скважины, которое обеспечивает условие объемного разрушения горных пород.

В-третьих, совмещение подвижного поверхностного привода с вертлюгом-сальником внутренней бурильной трубы за счет упрощения конструкции вертлюга-сальника увеличивает надежность предлагаемого устройства для бурения скважин.