УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫМ СПОСОБОМ Российский патент 1995 года по МПК E21B7/00 E21B7/06 

Изобретение относится к бурению скважин в твердых породах, в частности направленных скважин с использованием забойных ударных механизмов.

Необходимость разработки данного технического решения состоит в том, что известные технические средства для корректировки направления скважин имеют ряд недостатков, особо проявляющихся при проходке скважин на высоких скоростях присущих ударно-вращательному способу бурения. Основным из них является дискретное применение отклонителей и возможность бурения ими только на пониженных технологических режимах, что снижает производительность буровых работ. Например, за цикл искривления отклонителем удается пробурить не более 4-5 м в среднем при затратах времени 5-6 ч, что составляет скорость бурения около 1 м в час. В тоже время при алмазном бурении скорость в среднем составляет 2-3 м в час, при бурении шарошечными долотами 5-6 м в час, при бурении пневмоударниками 5-8 и более метров в час.

Для бурения направленных скважин известно применение серийновыпускающихся промышленностью пневмоударников типа РП или П, которым задают перекос в наклонной скважине под действием силы тяжести в пределах зазора между корпусом механизма и стенкой скважины. Поскольку забойный механизм получает перекос в скважине под действием силы тяжести и производит углубку перекошенным на забое породоразрушающим инструментом, то возможно изменение направления скважины только в сторону увеличения угла наклона скважины [1] Недостатком аналога является то, что во-первых, достигается низкая точность набора кривизны как по направлению, так и интенсивности набора кривизны, а во-вторых, искривление удается осуществлять только в сторону увеличения угла наклона скважины, то есть не обеспечивается искривления скважин в любом заданном направлении.

Известно устройство ударного действия для образования скважин в грунте, которое содержит цилиндрический корпус с размещенным в нем ударником, причем последний выполнен со смещенным центром тяжести относительно продольной оси устройства. Ударник размещен в корпусе с возможностью свободного перемещения и соосно ему. К корпусу в нижней части крепится породоразрушающий инструмент [2]
Недостатком прототипа является невозможность изменения направления скважины в любую заданную сторону, так как при работе прототипа происходит поворот ударника, что не позволяет наносить внецентренные удары по породоразрушающему инструменту в одной заданной плоскости, совпадающей с направлением искривления.

Цель изобретения состоит в повышении функциональных возможностей, а именно в возможности искривления скважин в любом заданном направлении и повышении точности набора кривизны.

Достигается это тем, что устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом содержит корпус и ударник, размещенный в корпусе соосно с ним и с возможностью свободного перемещения. При этом ударник выполнен с центром тяжести, смещенным относительно продольной оси устройства, а к нижней части корпуса крепится породоразрушающий инструмент. Согласно изобретению на нижнем торце ударника соосно с ним установлена пята с возможностью установочного поворота относительно оси ударника, а на нижнем торце пяты эксцентрично расположен выступ.

Наличие пяты, установленной с возможностью установочного поворота относительно ударника, и эксцентрично расположенного выступа на пяте отличают заявляемое устройство от прототипа и обуславливают соответствие критерию "новизна".

Совокупность признаков заявляемого изобретения, а именно наличие пяты с эксцентричным выступом, установленной с возможностью установочного поворота относительно ударника выполненного со смещенным центром тяжести относительно продольной оси устройства обеспечивают эксцентричное нанесение ударов по породоразрушающему инструменту в плоскости заданного направления искривления и позволяют производить набор кривизны в заданную сторону с высокой точностью и тем достигать цель изобретения. Совокупность признаков заявляемого устройства не выявлена при анализе уровня техники в данной области, что предполагает соответствие технического решения изобретательскому уровню.

На фиг.1 показана схема устройства для направленного бурения ударно-вращательным способом; на фиг.2 схема, поясняющая процесс искривления на примере реализации набора кривизны в сторону увеличения угла наклона скважины; на фиг. 3 сечение по А-А на фиг.2; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 сечение В-В на фиг.1; на фиг.6 cхема настройки устройства для искривления скважины в сторону увеличения азимутального угла скважины (фиксация пяты с выступом относительно центра тяжести поперечного сечения ударника); на фиг.7 схема, поясняющая работу ударника при его ориентации в корпусе устройства под действием смещающего момента Мс и торможения моментом трения Мтр. на фиг. 8 графики изменения моментов Мс и Мтр в зависимости от зенитного угла скважины, определяющие погрешность установки ударника в апсидальной плоскости скважины.

Устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом состоит из породоразрушающего инструмента 1, закрепленного на корпусе 2 с помощью шарикового фиксатора 3. Породоразрушающий инструмент 1 имеет на торце резцы 4 для разрушения породы ударом. В корпусе 2 установлены гильзы 5 и 6. Гильза 6 имеет отверстия 7, а гильза 5 отверстие 8 для движения сжатого воздуха. Внутри корпуса 2 размещен свободной посадкой в гильзах 5 и 6 и корпусе 2 ударник 9. Ударник 9 выполнен со смещением центра тяжести от его собственной продольной оси и оси устройства, размещением, например, внутри ударника 9 эксцентрично расположенной полости, заполненной утяжеленным, в сравнении со сталью, материалом 10 (свинец, вольфрам и др.). Для движения воздуха в ударнике 9 выполнены левый 11 и правый 12 каналы. На нижнем торце ударника 9 соосно с ним установлена пята 13 с возможностью установочного поворота относительно ударника 9, например, путем закрепления пяты 13 на резьбе с фиксацией положения контргайкой 14. На пяте 13 эксцентрично расположен выступ 15. Сверху на корпусе 2 установлен переходник 16 с резьбой 17 для соединения с колонной бурильных труб (в заявке не рассматривается) и каналами 18. В породоразрушающем инструменте 1 выполнен канал 19 для движения воздуха к забою скважины.

Устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом работает следующим образом. Забойный ударный механизм спускают в скважину на бурильных трубах и ставят на забой. Через бурильные трубы подается под давлением воздух, который попадает внутрь корпуса 2 через каналы 18 в переходнике 16 и далее по отверстиям 7 в гильзе 6 и каналу 12 в ударнике 9 попадает под торец пяты 13, поднимая ударник 9 в верхнее крайнее положение. Одновременно с движением воздуха по каналу 12, воздух движется по каналу 11, попадая через отверстие 8 в гильзе 5 и канал 19 под торец породоразрущающего инструмента 1 и очищая забой скважины. Перекрытие отверстий каналов 11 и 12 при перемещении ударника 9 в верхнее положение обеспечивает рост давления воздуха над ним и ударник 9 наносит удар по породоразрушающему инструменту 1 одновременно делая выхлоп воздуха на забой по каналу 11, отверстию 8 и каналу 19. Удар по породоразрушающему инструменту 1 наносится выступом 15 расположенного эксцентрично на пяте 13, зафиксированной контргайкой 14. Поскольку выступ 14 расположен эксцентрично, то и удар по породоразрушающему инструменту 1 наносится эксцентричный. В результате такого удара резцы 4 проникают в породу на забое на различную глубину, разрушая его в разной степени, т.к. удельная ударная нагрузка (фиг.2) на забой передается неравномерно: со стороны нанесенного удара наибольшая, с противоположной наименьшая. Вследствие этого и забой разрушается не с равной скоростью (фиг.5). Забой скважины получает направленное неравномерное разрушение: со стороны противоположной направлению искривления более интенсивное, что и обеспечивает набор кривизны. Нанесение ударов вращающимся породоразрушающим инструментом 1 в одну точку забоя обеспечивается тем, что ударник 9 имеет смещенный центр тяжести от продольной оси устройства и поэтому занимает в корпусе 2 одно положение под действием смещающего момента Мс, который равен:
М_c Q ˙e˙sinθsinϕ где Q вес ударника 9, Н;
е расстояние от центра тяжести поперечного сечения ударника 9 до оси геометрического центра устройства, м;
θ зенитный угол скважины, градус;
ϕ угол между плоскостью, проходящей через продольную ось устройства и центр тяжести ударника 9, и апсидальной плоскостью скважины, градус.

На фиг. 7 дана схема для анализа поведения ударника 9 при работе. Как следует из формулы и фиг.7 момент Мс зависит от угла наклона скважины, веса ударника 9 и расстояния от центра тяжести ударника 9 до геометрического центра устройства. Повороту ударника 9 в положение, в котором центр тяжести занимает место в апсидальной плоскости скважины, препятствует момент трения Мтр (фиг. 7) ударника 9 о внутренние поверхности гильз 5 и 6 и корпуса 2. Однако момент Мтр будет минимальным по следующим причинам:
вибрационный характер работы устройства (1000 и более ударов в минуту), что резко снижает коэффициент трения ударника 9 о гильзы 5, 6 и корпус 2, хотя этот коэффициент и так мал, так как поверхности ударника 9 и внутренних деталей устройства тщательно подогнаны, зашлифованы и работают всегда в смазке;
ускоренное движение ударника 9, при котором он разгоняется до скорости 10-12 метров в секунду, а при ударе скорость его соответственно падает до нуля, что обеспечивает увеличение момента Мс из-за перегрузок ускорения.

Частота вращения устройства при бурении составляет 20-60 оборотов в минуту, что также способствует устойчивому положению ударника в корпусе 2, так как центробежные силы очень малы. Если же учитывать возможность центрирования устройства в скважине, то центробежные силы будут еще меньше.

Таким образом происходит искривление скважины в заданной плоскости. Для изменения направления искривления пяту 13 следует повернуть и зафиксировать контргайкой 14 в нужном определенном положении относительно центра тяжести ударника 9 (см. примеры на фиг.2-6).

1. Пример конкретной реализации.

Устройство для направленного бурения пневмоударник типа П-105 cо специальным ударником 9, который имеет смещенный центр тяжести от продольной оси устройства за счет заполнения полости 10 внутри ударника 9 свинцом.

Для решения задачи изменения направления скважины с уменьшением зенитного угла пяту 13 фиксируют контргайкой 14 в положении, при котором эксцентрично расположенный выступ 15 располагается в плоскости, проходящей через геометрический центр поперечного сечения ударника 9 и его центр тяжести со стороны, противоположной центру тяжести ударника 9 (фиг.2,3,4). При бурении, когда ударник 9 наносит удары по породоразрушающему инструменту 1, происходит преимущественное разрушение забоя в верхней его части (фиг.5), что обеспечивает искривление ствола скважины в направлении выкручивания. Регулирование интенсивности искривления осуществляется заменой пяты 13 на другую, у которой выступ 15 имеет иной эксцентриситет. Так если выступ 15 расположен ближе к оси пяты 13, то передача ударного импульса на забой будет более равномерной, чем если бы эксцентриситет был большим.

2. П р и м е р. Задача: искривление скважины с увеличением азимутального угла.

Для решения данной задачи пяту 13 с выступом фиксируют на ударнике 9 таким образом, чтобы плоскости, проходящие через центр тяжести ударника 9, и направление искривления пересекались под прямым углом, а выступ 15 оставался слева от заданного направления искривления (фиг.6).

Использование предлагаемого устройства для направленного бурения позволяет по сравнению с известными устройствами повысить точность набора кривизны, так как в предлагаемом устройстве производится точная настройка как для изменения направления скважины (поворотом и фиксацией пяты 13), так и для изменения интенсивности искривления (смешением выступа 15 от центра пяты к его периферии). При этом достигается высокая степень точности установки ударника 9 в апсидальной плоскости при работе в скважинах с зенитными углами более 10^о (фиг.8). Кроме того, предлагаемое устройство универсально по искривлению скважин, так как его использование позволяет менять направление ствола скважины в любую заданную сторону.

Использование: изобретение относится к горному делу и может быть использовано для направленного бурения скважин ударно-вращательным способом. Устройство включает ударник со смещенным центром тяжести, при этом на нижнем торце ударника соосно с ним установлена пята с возможностью установочного поворота относительно ударника, на нижнем торце пяты эксцентрично выполнен выступ. Смещенный центр тяжести ударника ориентирует его при работе механизма в наклонной скважине строго в апсидиальной плоскости, а зафиксированная под любым заданным углом относительно центра тяжести ударника пята с выступом обеспечивает направленное в соответствии с нужным направлением искривления нанесение эксцентричных ударов по породоразрушающему инструменту. Регулирование интенсивности искривления осуществляется перемещением выступа пяты в пределах расстояния от геометрического центра пяты до ее края. 8 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫМ СПОСОБОМ, содержащее корпус, ударник, выполненный с центром тяжести, смещенным относительно продольной оси устройства и размещенным в корпусе соосно с ним с возможностью свободного перемещения и породоразрушающий инструмент, отличающееся тем, что на нижнем торце ударника соосно с ним установлена пята с возможностью установочного поворота относительно оси ударника, а на нижнем торце пяты эксцентрично расположен выступ.