долотный нагружающий комплекс

Формула изобретения

Долотный нагружающий комплекс, включающий устройство модульного типа, скомпонованное из отдельных модулей, корпуса которых объединены реактивными переводниками, закрепленными на корпусах, с образованием блока цилиндров, в каждом цилиндре размещены поршни, связанные через ведомый вал с долотом, и образованные поршнями камеры высокого и низкого давления, связанные соответственно с внутритрубным и затрубным пространствами, к последнему из которых выведены отверстия, выполненные в реактивных переводниках, отличающийся тем, что корпус соединен с колонной утяжеленных бурильных труб, а полые штоки блоков цилиндров соединены между собой и ведомым валом предохранительными муфтами, имеющими отверстия для связи с внутритрубным пространством полых штоков и ведомого вала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к оборудованию для бурения скважин, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности.

В процессе бурения скважины нагрузку на долото создают за счет веса утяжеленных бурильных труб, жестко соединенных с долотом. Длина утяжеленных бурильных труб достигает 200-300 м. За счет трения труб о стенки скважины запланированная нагрузка на долото передается не полностью, а скачками. Неравномерная ударная нагрузка приводит к сколу зубьев долота, разрушению опор шарошек и, в конечном итоге, к быстрому износу долота. Кроме того, перекатывание шарошек по забою вызывает продольные колебания бурильной колонны, которые являются причиной поломок бурильных труб, и наземного оборудования (талевого каната, вышки и т.д.).

Известны устройства, трансформирующие энергию потока жидкости в нагрузку на долото и гасящие продольные колебания бурильных труб.

Устройством такого типа является забойный механизм подачи, который представляет собой гидравлический поршневой механизм. Принцип работы его заключается в реализации на поршне, жестко связанном с турбобуром, перепада давления в нем. После спуска устройства и касания породы ведущая штанга жестко закрепляется в роторе и остается неподвижной в осевом перемещении, а поршень передвигается под давлением по мере разрушения породы. После выработки длины штока, на котором закреплен поршень, ведущую штангу освобождают, производят перезарядку, и процесс бурения повторяется.

К недостаткам известного устройства относится необходимость создания больших перепадов давления, отсутствие контроля за процессом бурения (см. Вадецкий Ю.В. "Бурение нефтяных и газовых скважин." - М.: Недра, 1978. - с. 469).

В другом известном устройстве, гасящем резонансные колебания, функционируют пневмокамера и разделяющий их плавающий поршень. Пневмокамера заполняется сжатым азотом, а гидрокамера и сообщающиеся с ней кольцевые зазоры и резервуары - лубрикаторным маслом. Под гидрокамерой расположен нагруженный поршень и компенсатор давления со сквозным отверстием, пропускающим промывочную жидкость, передающую давление. Крутящий момент от корпуса передается шпинделю через шпоночное соединение (см. Масленников И.К. "Буровой инструмент". - М.: Недра, 1989. - с. 347).

К недостаткам следует отнести сложность конструкции в изготовлении и эксплуатации, наличие газа, давление которого не контролируется в процессе работы, и невозможность создать приближенную к долоту нагрузку.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности признаков является забойный механизм подачи (авт. свид. СССР 746079, кл. Е 21 В 19/08, 1980), который состоит из распорного и подающего узлов, соединенных подвижно. Распорный узел состоит из корпуса, плашек, упорной втулки, тяг, направляющих для взаимодействия с плашками и вала. Плашки имеют продольные пазы и при помощи направляющих подвижно расположены на наклонных гранях корпуса, тяги шарнирно соединяют плашки с упорной втулкой. Вал проходит через распорный узел и соединяется через верхний шлицевый переходник с подающим узлом. Подающий узел состоит из цилиндров, соединенных ниппелями. В цилиндрах расположены поршни: поршень-вал, управляющий поршень, рабочие поршни. К управляющему поршню с возможностью ограниченного осевого перемещения подсоединен клапан с дросселем. В поршне-вале размещена пружина для взаимодействия с клапаном. Поршень-вал образует шлицевую пару с нижним переходником. Управляющий ниппель имеет обращенный в сторону клапана кольцевой выступ, диаметр которого равен диаметру клапана. Рабочий ход управляющего поршня меньше рабочего хода поршня-вала. Число поршней определяется осевой нагрузкой и перепадом давления на дросселе.

Известный забойный механизм подачи является достаточно сложной системой, обладающей недостатками. Используемая схема крепления механизма на стенках скважины при помощи плашек распорного узла нетехнологична, так как пригодна для случая, если диаметр скважины равен диаметру долота. В случае, если первый диаметр больше второго, схема неработоспособна, особенно при наличии каверн. Передача крутящего момента осуществляется через вал распорного узла. Однако вал может не выдержать большую крутящую нагрузку, так как имеет малый размер. Сам распорный узел не вращается, отсутствует возможность его проворота и в случае попадания кусков породы возможно заклинивание механизма. При соединении через распорный узел исключено непосредственное соединение забойного механизма с колонной утяжеленных бурильных труб. Существенным ограничением является тот факт, что для контроля окончания хода подачи забойного механизма и необходимости его перезарядки установлен клапан с дросселем - узел с высокими гидравлическими сопротивлениями, создающий из-за этого трудности при промывке. Соединение поршней отсутствует, что обуславливает простоту при сборке механизма, но создает возможность аварийных ситуаций при эксплуатации. Например, при нагружении резьбового соединения между ниппелями и цилиндрами поршень останется в скважине.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей и повышение эксплуатационных характеристик устройства, упрощение обслуживания и ремонта.

Для достижения указанного технического результата в известном устройстве модульного типа, скомпонованном из отдельных модулей, корпуса которых объединены реактивными переводниками, закрепленными на корпусах, с образованием блока цилиндров, в каждом цилиндре размещены поршни, связанные через ведомый вал с долотом, и образованные поршнями камеры высокого и низкого давления, связанные соответственно с внутритрубным и затрубным пространствами, к последнему из которых выведены отверстия, выполненные в реактивных переводниках, согласно изобретению корпус соединен с колонной утяжеленных бурильных труб, полые штоки блоков цилиндров соединены между собой и ведомым валом предохранительными муфтами, имеющими отверстия для связи с внутритрубным пространством полых штоков и ведомого вала.

Заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна", поскольку из уровня техники не выявлен аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Техническое решение, заявленное в качестве изобретения, соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень", так как выполненные преобразования оказывают влияние на достижение таких характеристик, как технологичность, надежность, обеспечение работоспособности и регулирование производительности, в частности увеличена несущая способность вала, колонна утяжеленных бурильных труб непосредственно связана с корпусом, гидравлическое усилие регулируется насадками (полыми штоками) на долоте, канал высокого давления связан с камерами высокого давления через отверстия, выполненные в предохранительных муфтах, соединяющие вал и полые штоки.

Долотный нагружающий комплекс достаточно прост как в исполнении, так и в обслуживании при работе или ремонте. В случаях заклинивания долота может быть использован в качестве ударного инструмента для освобождения долота как при ходе вверх, так и при ходе вниз за счет создания большого перемещения вала в корпусе. Перезарядка комплекса (переклепление) не требуется: под заданную требуемую нагрузку установлено необходимое количество поршней полых штоков.

На чертеже изображен долотный нагружающий комплекс для гашения колебаний бурильной колонны.

Комплекс скомпонован из отдельных модулей, у которых корпуса 1 соединены друг с другом реактивными переводниками 2. Комплекс содержит ведомый вал 3, муфты 4 и полые штоки 5. Перечисленные элементы в своем соединении образуют единую вертикальную конструкцию, посредством которой совместно с корпусами 1 при компоновке создан канал с полостью 6 для прокачки жидкости и передачи давления через отверстия 7 с низкими гидравлическими сопротивлениями в муфтах 4. Реактивные переводники 2 закреплены на корпусах 1 и перекрывают полость 6 с образованием блока цилиндров, в каждом из которых размещены поршни 8, установленные с возможностью перемещения по всей длине цилиндра до упора в торец муфты 4. Корпус 1 шлицевым соединением через ниппель 9 связан с ведомым валом 3 и с долотом через переводник 10.

В надпоршневом пространстве цилиндров образованы камеры высокого давления 11, а в подпоршневом пространстве - камеры низкого давления 12. Камеры 12 связаны с затрубным пространством комплекса через отверстия 13, выполненные в реактивных переводниках 2.

Утяжеленные бурильные трубы через переводник 15 соединены с корпусом 1.

Долотный нагружающий комплекс работает следующим образом.

На поверхности, на ведомый вал 3, соединенный с полыми штоками 5 через муфты 4, наворачивают через переводник 10 долото (не показано). Заранее соединенные друг с другом реактивными переводниками 2 корпуса 1, связанные шлицевым соединением через ниппель 9 с ведомым валом 3, соединяют с колонной утяжеленных бурильных труб 14 посредством переводника 15. Собранный комплекс обычным порядком опускается в скважину. Буровыми насосами подается буровой раствор в бурильные трубы. При этом в долоте создается перепад давления Р, который по каналу высокого давления G через отверстие 7 муфты 4 передается в камеру высокого давления 11. Под действием перепада давления на поверхности поршней 8 создается гидравлическое усилие G, равное

G = PF,

где F - площадь поршня 8.

Гидравлическое усилие G через полые штоки 5 и ведомый вал 3 суммируется и сосредотачивается на долоте через переводник 10. Возникающая в камере высокого давления 11 обратная реакция воспринимается реактивными переводниками 2 и компенсируется весом утяжеленных труб 14 через соединительный переводник 15 на сборном корпусе 1. Наличие отверстий 13 в реактивных переводниках 2 обеспечивает вытеснение жидкости из камеры низкого давления 12 в затрубное пространство, а также свободное перемещение поршневой системы 8 вверх и вниз.

Крутящий момент от ротора передается через бурильные утяжеленные трубы 14, корпус 1, ниппель 9 на ведомый вал 3, переводник 10 и долото. Ведомый вал 3 под действием суммарного гидравлического усилия прижимает долото к забою. Возникающие резонансные осевые колебания от долота передаются через ведомый вал 3 и полые штоки 5 на поршни 5, которые, перемещаясь вверх, уменьшают объем камеры без изменения давления. Отсутствие жесткой осевой связи долота с колонной бурильных труб, снятие избыточного давления через отверстия 7 муфт 4 исключают передачу продольных резонансных колебаний на утяжеленные и бурильные трубы. Суммарное гидравлическое усилие зависит от числа модулей и перепада давления в долоте Р_i

G = P_i(F₁+F₂+...+F_n)

Под действием давления P_i в процессе бурения система поршней 8 с долотом занимает крайнее нижнее положение. Колонна утяжеленных бурильных труб, приведенная во вращение, передает вращающий момент на долото через корпуса 1 и ниппель 9. По достижении забоя нижняя часть веса колонны 14 (2/3 веса утяжеленных бурильных труб), соответствующая суммарной гидравлической нагрузке, разгружается на корпуса 7, что фиксируется по уменьшению веса на талевой системе. Таким образом, компенсируется реактивное усилие, возникающее в камере высокого давления 11, передаваемое на корпус 1, через реактивные переводники 2, сборный корпус I перемещается при этом вниз, относительно поршней 8, поршневая система устанавливается в нейтральном положении, а торец ниппеля 9 не упирается в торец переводника 10, что обеспечивает передачу на долото полной гидравлической нагрузки. При вращении долото, перекатываясь шарошками по поверхности забоя, совершает левое возвратно-поступательное движение, поднимая и опуская систему штоков 5 с поршнями 8. При перемещении поршней 8 происходит уменьшение и увеличение объема камеры высокого давления 11. Однако увеличения или уменьшения давления над поршнями не происходит ввиду достаточно свободной гидравлической связи камер 11 с полостями штоков 5 с балансом давления над поршнями за счет большого количества прокачиваемой жидкости. Постоянство давления обеспечивается в камерах низкого давления 12 за счет отверстий 13 в реактивных переводниках 2. В результате этого колебания долота не передаются на колонну утяжеленных бурильных труб 14, и в них отсутствует продольная вибрация. По окончании бурения подачу раствора прекращают, вся колонна 14 утяжеленных бурильных труб подвешивается на талевой системе, поршневая система 8 занимает крайнее нижнее положение, и устройство поднимается на поверхность.

Результаты проведенных на двух скважинах оценочных испытаний свидетельствуют не только о работоспособности патентуемого комплекса, но и об эффективности его использования, заключающейся в увеличении проходки на долото на 30-50%, а также в увеличении скорости бурения на 25-70%. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".