БУРИЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 1995 года по МПК E21B10/32 E21B17/10 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к строительству скважин, а именно к устройствам компоновки низа бурильной колонны при бурении забойным двигателем.

Известен бурильный инструмент, включающий корпус с присоединительными резьбами, осевой и радиальные каналы корпуса, выдвижные цилиндрические штока с торцевыми упорами, возвратные пружины. Недостатком известного устройства является то, что при установке его над турбобуром и выдвижении цилиндрических штоков будет осуществлено центрирование бурильного инструмента в стволе скважины и гашение реактивного момента забойного двигателя, но одновременно произойдет и значительное зависание колонны, поэтому долото буде недогружено, в результате чего показатели бурения ухудшатся. Кроме того, недостатком устройства является ограниченная и порой недостаточная величина выдвижения цилиндрических штоков из корпуса, поэтому придется увеличить наружный диаметр корпуса и максимально приблизить к стенкам скважины номинального диаметра, что уже отрицательно скажется в связи с повышением вероятности прихвата и местных гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве скважины, а также потому, что бурильный инструмент все же не будет достаточно эффективно препятствовать передаче реактивного момента забойного двигателя на вышележащие участки колонны в сильно кавернозных участках расширенного ствола скважины, которые быстро образуются в мягких и средних породах.

Известен также бурильный инструмент, включающий корпус с присоединительными резьбами, осевой канал, гидравлически связанный с радиальными каналами, толкатели, ролики, вращающиеся на осях, расположенных в плоскостях, перпендикулярных осевой линии корпуса [1]
Это устройство предупреждает зависание бурильной колонны при углублении скважины, однако все его рабочие элементы размещены на наружной поверхности корпуса, что увеличивает вероятность его поломки как в процессе бурения от действия чрезмерно высоких реактивных моментов забойного двигателя, так и в процессе спускоподъемных операций при биении в стволе скважины. Вероятность последнего очень высока, поскольку в полости между корпусом и упругой манжетой может накопиться осадок бурового раствора и тяги не примут исходного транспортного положения в процессе подъема, в результате будут упираться и втыкаться в уступы ствола скважины. В связи с выше изложенным, повысится также и вероятность разгерметизации бурильного инструмента, поскольку колонное и заколонное пространства разъединены только одной упругой манжетой, связанной посредством толкателей с тягами, и при столь жестких условиях работы также разорвутся.

Цель изобретения повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что новым в бурильном инструменте является то, что радиальные каналы выполнены сквозными по диагонали не менее чем на двух уровнях, и в одной плоскости, толкатели установлены в радиальных каналах и выполнены в виде цилиндрических штоков с торцевыми упорами, причем торцевые упоры взаимодействуют со стенками радиальных каналов шлицевым соединением и подпружинены, а в противоположных концах цилиндрических поршней выполнены сквозные проемы в плоскостях, параллельных оси корпуса, и размещены ролики, причем диаметры роликов меньше диаметров цилиндрических поршней, при этом в нижней части осевого канала установлен подпружиненный поршень и прикреплен ограничитель поршня, а верхняя часть осевого канала оснащена пробкой, при этом полости осевого канала и радиальных каналов заполнены маслом, причем в свободных боковых сегментах корпуса по обе стороны от радиальных каналов выполнены продольные отверстия, соединяющие пространства над и под маслонаполненной полостью.

Совокупность заявляемых признаков бурильного инструмента неизвестна из уровня техники.

В сравнении с аналогом в заявляемом техническом решении увеличена практически до максимума возможная степень выдвижения цилиндрических штоков из корпуса, а чтобы не допустить зависание на концах установлены ролики, ко всему прочему, чтобы не произошло кругового смещения роликов, штока зафиксированы шлицевым соединением с радиальными отверстиями таким образом, чтобы оси всегда находились в плоскостях, перпендикулярных оси корпуса. Кроме того, чтобы бурильный инструмент не занимал эксцентричного положения в корпусе, штока установлены в одной плоскости друг над другом не менее чем на двух уровнях и направлены в диаметрально противоположные стороны для уравновешивания сил.

В сравнении с прототипом имеем полностью защищенную в транспортном положении конструкцию. Толкатели одновременно выполняют функции манжеты, тяг и вилок. Усилие противодействия реактивному моменту забойного двигателя в зависимости от типа и количества секций последнего можно регулировать количеством устанавливаемых на разных уровнях штоков с роликами, которые можно установить значительно больше, чем в прототипе, только на одном уровне которого их можно установить ограниченное количество при достаточно все же больших осевых размерах. Кроме того, полость, в которой работают штока, маслонаполнена, что в несколько раз повысит их долговечность и одновременно повысит герметичность разобщения колонного и заколонного пространств на двух уровнях это уплотнительные кольца нижнего поршня и штоков.

Как видим, изменения и дополнения приводят к тому, что детали выполняют новые функции, по новому взаимодействуют с другими элементами, что приводит к получению сверхсуммарного эффекта (одновременное повышение герметичности и долговечности при достаточно высокой степени выдвижения штоков, а также максимальной защищенности конструкции в процессе спуско-подъемных операций). Это позволяет сделать вывод о получении новой совокупности, которая для специалистов явным образом не следует из уровня техники, и поэтому техническое решение имеет изобретательский уровень.

Изобретение является промышленно применимым в настоящее время, поскольку не представляет сложности его изготовление, и потому, что бурильный инструмент решает многие проблемы при бурении скважин в нефтегазовой промышленности геологии и др.

На фиг.1 показан бурильный инструмент в транспортном положении; на фиг.2 то же, в рабочем положении; на фиг.3 сечение по А-А на фиг.1; на фиг.4 сечение по В-В на фиг.2; на фиг.5 сечение по Б-Б на фиг.1; на фиг.6 сечение по Г-Г на фиг.3.

Бурильный инструмент состоит из корпуса 1 с присоединительными резьбами 2. В корпусе 1 выполнены гидравлически связанные осевой 3 и сквозные радиальные 4 каналы, причем последние выполнены на нескольких (не менее двух) уровнях 5 и в одной плоскости. В радиальные каналы 4 установлены толкатели из цилиндрических штоков 6 с торцевыми упорами 7. Цилиндрические штока 6 снабжены уплотнительными кольцами 8, а торцевые упоры 7 выполнены с шлицевыми выступами 9, контактирующими с шлицевыми пазами 10 радиальных каналов 4. Кроме того, в радиальных каналах 4 в кольцевых пространствах между последними и штоками 6, ограниченными торцевыми ограничителями 7 и упорами 11, размещены возвратные пружины 12. Со стороны торцевых ограничителей 7 радиальные каналы 4 перекрываются крышками 13. На противоположных концах цилиндрических штоков 6 выполнены сквозные проемы 14 в плоскостях, параллельных оси корпуса 1, и отверстия 15 в плоскостях, перпендикулярных оси корпуса 1, в которых соответственно размещены ролики 16 и установлены оси 17. При этом диаметры роликов 16 меньше диаметров цилиндрических штоков 6, а толщины соответствуют величине зазоров 14 и в исходном положении они заглублены в корпусе 1 (фиг. 1). Для равновесия пары сил в процессе работы направления штоков 6 с роликами 16 на разных уровнях 5 диаметрально противоположное (фиг.2). В нижней части осевого канала 3 выполнено расширение 18, в котором помещены пружина 19 и поршень 20 с уплотнительными кольцами 21, а на конце закреплен болтами 22 ограничитель 23 поршня 20. Полости осевого 3 и радиальных 4 каналов заполнены маслом 24 через верх осевого канала 3, который затем перекрывается пробкой 25. По обе стороны от радиальных каналов 4 в свободных боковых сегментах корпуса 1 выполнены продольные отверстия 26, соединяющие пространства над 27 и под 28 маслонаполненной полостью 3-4.

Один или несколько бурильных инструментов устанавливают в нижней компоновке бурильной колонны над забойным двигателем между последним и утяжеленными бурильными трубами (УБТ) и/или между УБТ или между УБТ и бурильными трубами.

Бурильный инструмент работает следующим образом. В процессе спуска бурильной колонны положение элементов конструкции таково, как показано на фиг. 1. Через продольные отверстия 26 происходит самопроизвольное заполнение колонного пространства скважинной жидкостью. Перед бурением восстанавливают циркуляцию бурового раствора, который опять же через продольные отверстия 26 поступает к забойному двигателю. С повышением давления поршень 20, сжимая пружину 19, приподнимается и повышает давление в полости 3-4, заполненной маслом 24. В свою очередь штока 6, зафиксиpованные от кругового смещения шлицевым соединением 9-10, сжимая пружины 12, выдвигаются из радиальных каналов 4 до соприкосновения роликов 16 со стенками скважины 29 с сохранением положения осей 17 в плоскостях, перпендикулярных оси корпуса 1. В результате трения роликов 16 и зацепления их боковыми поверхностями о стенки скважины 29 бурильным инструментом гасится реактивный момент забойного двигателя. При углублении скважины ролики 16, перекатываясь по стенке скважины 29, предупреждают зависание компоновки низка бурильной колонны. Перед наращиванием или подъемом бурильной колонны циркуляцию бурового раствора останавливают и сбрасывают давление, в результате чего поршень 20 пружиной 19 смещается вниз до ограничителя 23, давление в полости 3-4 падает, возвратные пружины 12 отжимают за торцевые упоры 7 штока 6 с роликами 16 внутрь корпуса 1.

Эффективность бурильного инструмента заключается в повышенной герметичности и надежности долговечной работы устройства ввиду защищенности конструкции в процессе спуско-подъемных операций и улучшения условий работы механизмов в маслонаполненной системе, а из-за обеспечения возможности большой степени выдвижения и размеров штоков с роликами, сохранения своей работоспособности по гашению реактивного момента забойного двигателя даже в сильно кавернозных участках ствола скважины как при бурении, так и при проработках ствола скважины, что предупреждает закручивание и крутильные колебания бурильной колонны. Последнее может существенно повысить надежность ориентирования отклонителя в скважине.

Использование: горная промышленность, в частности строительство вертикальных и наклонных скважин, а именно устройства компоновки низа бурильной колонны при бурении забойными двигателями. Сущность: бурильный инструмент состоит из корпуса 1 с осевым 3 и сквозными радиальными 4 каналами в виде двух цилиндрических расточек, в которые установлены соответствующие подпружиненные штоки 6 с торцевыми упорами 7. Торцевые упоры 7 выполнены с шлицевыми выступами, а в одной из двух расточек радиальных каналов 4 выполнены соответствующие шлицевые пазы 10. При этом со стороны упоров 7 радиальные каналы перекрыты крышками 13, а с противоположных сторон в штоках 6 выполнены проемы 14 в плоскостях, параллельных оси корпуса 1, и отверстия под оси 17, расположенные в плоскостях, перпендикулярных оси корпуса 1, на которых вращаются ролики 16, причем на двух соседних уровнях 5 они направлены в диаметрально противоположные стороны. Внизу осевого канала 3 помещен подпружиненный поршень 20, а сверху перекрыт пробкой 2. При этом гидравлически сообщающиеся полости осевого 3 и радиальных каналов 4 заполнены маслом 24. По обе стороны от радиальных каналов 4, расположенных в одной плоскости по вертикали, выполнены дополнительные сквозные продольные отверстия, сообщающие пространства над 27 и под 28 маслонаполненной полостью. 6 ил.

БУРИЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ, включающий корпус с присоединительными резьбами и осевым каналом, диаметрально расположенные сквозные радиальные каналы корпуса, размещенные соосно и на нескольких уровнях в одной вертикальной плоскости, расположенные в радиальных каналах центрирующие элементы, связанные с толкателями в виде штоков с торцевыми упорами, возвратные пружины штоков в транспортное положение, поршень, расположенный в осевом канале с возможностью осевого перемещения, отличающийся тем, что торцевые упоры штоков выполнены с шлицевыми выступами, а в радиальных каналах выполнены соответствующие выступам шлицевые пазы, при этом центрирующие элементы выполнены в виде роликов и размещены на осях в сквозных проемах штоков, выполненных в плоскостях, параллельных осевой линии корпуса, причем диаметры роликов меньше диаметров штоков, при этом ролики на соседних уровнях радиальных каналов расположены во взаимно противоположных направлениях, а поршень установлен в нижней части осевого канала и подпружинен, причем осевой канал внизу снабжен ограничителем хода поршня, а вверху пробкой, при этом полости осевого и радиальных каналов заполнены маслом, а по обе стороны от радиальных каналов выполнены продольные отверстия, соединяющие пространство над и под маслонаполненной полостью.