колонковый буровой снаряд с электрическим приводом

Формула изобретения

Колонковый буровой снаряд с электрическим приводом, содержащий насосный узел и размещенные в нижнем корпусе колонковой трубы коронку, керноприемную трубу, соединенную со шламовой трубой, в которой расположен фильтр и шламоподъемная труба, вал с закрепленным на нем ротором электродвигателя, статор которого расположен в верхнем корпусе колонковой трубы, к верхней части которой прикреплен кабельный замок, отличающийся тем, что он снабжен системой управления, связанной с электродвигателем, и упругим элементом, жестко связанным с кабельным замком с одной стороны и ротором электродвигателя с другой, с возможностью поворота на упругом элементе нижнего корпуса относительно верхнего, при этом насосный узел закреплен через переходник на шламовой трубе в нижнем корпусе колонковой трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к колонковым буровым снарядам на грузонесущем кабеле, и может быть использовано для бурения и очистки нефтяных и газовых скважин, склонных к пескопроявлению.

Известно устройство для проведения канала в сплошном массиве осадка в лифтовой колонне газовой скважины по а.с. №1633097 А1, Е 21 В 37/02, 07.03.91. Бюл. №9. Изобретение относится к области добычи газа, а именно к работам по удалению из скважин солевых и гидратных пробок. Устройство состоит из ударного механизма, соединенного через верхний переводник с головкой для закрепления на проволоке. Через нижний переводник ударный механизм соединен с корпусом с глухой верхней частью, в котором выполнены отверстия. Нижняя часть корпуса снабжена режущим элементом. Недостатком этого устройства является малая мощность и частичная очистка фильтрованной зоны продуктивного пласта.

Известен колонковый электромеханический буровой снаряд по а.с. №1472613 А1, E 21 В 4/04, 15.04.89. Бюл. №14, принятый за прототип.

Колонковая труба снаряда нижним торцом соединена с коронкой. Внутри колонковой трубы размещена керноприемная труба. При этом колонковая и керноприемная труба в верхней части соединены с переходником, к верхней части которого крепится шламовая труба. В шламовой трубе расположен фильтр, внутри которого размещена шламоподъемная труба с радиальными отверстиями, закрепленная нижней частью в переходнике. С шламоподъемной трубой в верхней ее части соединен редуктор с полым валом, соединенным с электродвигателем. К последнему прикреплен насосный узел в виде насоса и насосного переходника с распорным узлом на верхнем торце. На верхнем торце снабжен автономным приводом и размещен в полости снаряда между насосным узлом и электродвигателем. Недостатком этого бурового снаряда является присутствие реактивного момента, который приводит к закручиванию его в скважине.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. устранение реактивного момента, который требует применения распорных устройств, а это в свою очередь приводит к усложнению конструкции бурового снаряда.

Задача решается тем, что колонковый буровой снаряд с электрическим приводом, содержащий насосный узел и размещенные в нижнем корпусе колонковой трубы коронку, керноприемную трубу, соединенную со шламовой трубой, в которой расположен фильтр и шламоподъемная труба, вал с закрепленным на нем ротором электродвигателя, статор которого расположен в верхнем корпусе колонковой трубы, к верхней части которой прикреплен кабельный замок, согласно изобретению он снабжен системой управления, связанной с электродвигателем, и упругим элементом, жестко связанным с кабельным замком с одной стороны и ротором электродвигателя с другой, с возможностью поворота на упругом элементе нижнего корпуса относительно верхнего, при этом насосный узел закреплен через переходник на шламовой трубе в нижнем корпусе колонковой трубы.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема колонкового бурового снаряда с электрическим приводом, на фиг.2 приведена схема электрической части бурового снаряда, на фиг.3 изображены характеристики момента на валу асинхронного двигателя.

Колонковый буровой снаряд с электрическим приводом (фиг.1) содержит нижний корпус 1 колонковой трубы, на нижнем торце которой укреплена коронка 2, внутри нижнего корпуса 1 находится керноприемная труба 3. Нижний корпус 1 колонковой трубы и керноприемная труба 3 соединены переходником 4, к верхней части которого крепится шламовая труба 5, фильтр 6 и шламоподъемная труба 7. К верхней части шламовой трубы 5, крепится насосный переходник 8, на котором укреплен насос 9. К верхней части насосного переходника 8 крепится переходник 10, в который закрепляется вал 11. Ротор 12 электродвигателя устанавливается на вал 11. Статор 13 электродвигателя расположен в верхнем корпусе 14 колонковой трубы, которая соединена с кабельным замком 15. На верхней части вала 11 расположена жесткая муфта 16, через которую вал 11 соединяется с упругим элементом, торсионом 17. Другим концом торсион 17 крепится к кабельному замку 15, в котором закреплен грузонесущий кабель 18.

Электрическая часть бурового снаряда содержит источник питания (ИП). В качестве ИП может выступать обычная трехфазная электрическая сеть или преобразователь частоты. На фиг.2 показана электрическая схема бурового снаряда при питании от трехфазной сети. В каждую фазу включены конденсаторы C1, C2, С3. Система управления (СУ) управляет тиристорными ключами Т1, Т2, Т3, Т4. Тиристорный ключ содержит два встречно-параллельно соединенных тиристора. В качестве электромеханического преобразователя электрической энергии в возвратно-вращательные движения режущего элемента используется асинхронный электродвигатель (АД), (12, 13). Т1, Т3 открываются по каналу задания К1 и обеспечивают движение ротора 12 АД в одном направлении, а Т2, Т4 открываются по каналу К2 и обеспечивают движение ротора 12 АД в обратном направлении.

Колонковый буровой снаряд с электрическим приводом работает следующим образом. При постановке бурового снаряда на забой скважины на статор 13 АД с источника питания ИП (фиг.2) подается напряжение синусоидальной формы, формируемое СУ по каналам задания. Изменение направления вращения магнитного поля статора 13 АД достигается изменением порядка следования фаз, с прямого на обратный, а следовательно, изменяется и направление действия момента АД. Частота переключения тиристорных ключей совпадает с резонансной частотой двухмассовой механической системы с упругой связью. Электромагнитный момент на валу двигателя M₁ на Фиг.3 представляет собой кривую при использовании только одного канала задания. На кривых М₂ и М₃ показано изменение электромагнитного момента при управлении по двум каналам задания. Кривая М₃ отличается от М₂ наличием паузы t. Для обеспечения требуемого времени переходных процессов в цепь статора включены конденсаторы C1, C2, С3, которые компенсируют индуктивную составляющую тока статора и уменьшают постоянную времени статорной цепи. Работа бурового снаряда основана на поворотах двухмассовой механической системы на резонансной частоте. Элементы 1-12 составляют одну массу с моментом инерции J₂, а элементы 13-15 другую - с моментом инерции J₁. Роль упругого элемента выполняет торсион 17. Коронка 2 совершает повороты, при которых достигаются оптимальные значения средней скорости режущего инструмента и осевых нагрузок для ведения процесса бурения, который продолжается до заполнения керноприемной трубы 3 керном, после чего отключается двигатель, производится отрыв керна и снаряд извлекается на поверхность. В процессе бурения шлам из забоя удаляется за счет обратной циркуляции заливочной жидкости, осуществляемой насосом 9. Шлам, увлекаемый потоком заливочной жидкости, поднимается по кольцевому зазору между нижним корпусом 1 колонковой трубы и керноприемной трубой 3, затем по шламоподъемной трубе 7 попадает в шламосборник и скапливается под фильтром 6. Заливочная жидкость, пройдя через фильтр 6, по центральному каналу в насосном переходнике 8, насосом 9 выводится в затрубное пространство.

Система дифференциальных уравнений описывает поведение двухмассовой системы с возмущающим воздействием, изменяющимся по гармоническому закону

где M=M₀sint - электромагнитный момент на валу асинхронного двигателя, ₁, J₂ - моменты инерции верхней и нижней части бурового снаряда, с - коэффициент жесткости упругого элемента, , ₁ ускорение и положение верхней части, , ₂ - ускорение и положение нижней части, M_c - момент сопротивления на коронке.

Уравнение резонансной частоты:

где - коэффициент затухания, пропорциональный моменту сопротивления на коронке.

Угол закручивания и момент инерции верхнего и нижнего корпуса связаны соотношением

Для обеспечения эффективного процесса бурения необходимо выполнение следующего условия: J₁/J₂ 810.

Предложенный буровой снаряд является динамически уравновешенным и не требует устройств для компенсации реактивного момента. Кроме того, к преимуществам бурового снаряда можно отнести высокий КПД, как и у всех резонансных машин, так как потребляемая электроэнергия расходуется на преодоление сил трения (разрушение забоя), а на поддержание резонансного режима затраты электроэнергии равны нулю. Буровой снаряд можно использовать не только для бурения инженерных скважин и геологоразведочных скважин на дне мирового океана, но и для очистки призабойной зоны нефтяных скважин, склонных к пескопроявлению. Поступление песка из пласта приводит к образованию каверн, обрушению кровли призабойной зоны, пробкообразованию, эрозии оборудования. Применение передвижной установки на базе предложенного бурового снаряда сократит стоимость очистки и ремонта нефтяных скважин и позволит за короткий срок вернуть их в действующий фонд.