УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к технике для проходки нефтяных и газовых скважин, а именно к забойным устройствам, приводящим в действие буровые долота и наконечники.

Известно устройство, содержащее турбобур и забойный механизм подачи, обеспечивающий регулирование осевой нагрузки на долото и моментную загрузку ротора турбобура (патент США N 2937007, кл. 175/94, 1960).

Однако устройство не обеспечивает автоколебательный режим работы в заданном, или произвольно установившемся, диапазоне частот, поскольку не создана турбина с требуемыми соотношениями гидравлических сопротивлений на режимах холостого хода, максимальной мощности и тормозном.

Наиболее близким конструкторским решением по технической сути и достигаемому результату является устройство для бурения, содержащее бурильную колонну, турбинный вращатель с подсоединенным к его роторной системе долотом, механизм подачи, включающий корпус и шток с поршнем и ударную массу, соединенную с одним из элементов механизма подачи.

Однако и данное устройство при обеспечении ударно-вращательного режима бурения не позволяет установить автоколебательный режим работы забойных механизмов, что снижает эффективность процесса разрушения породы.

Цель изобретения повышение эффективности процесса разрушения породы. При осуществлении изобретения автоколебательный режим работы породоразрушающего инструмента при ударно-вращательном режиме бурения.

Для этого в устройстве для бурения, содержащем бурильную колонну, турбинный вращатель с подсоединенным к его роторной системе долотом, механизм подачи, включающий корпус и шток с поршнем и ударную массу, соединенную с одним из элементов механизма подачи, другой элемент механизма подачи и ударная масса соединены с бурильной колонной и статорной системой вращателя. Поршневая полость механизма подачи, образованная в том числе и обращенной к долоту активной поверхностью элемента, соединенного с ударной массой, сообщена с полостью бурильной колонны. Статоры ступеней давления турбины вращателя выполнены в виде двух рядов лопаточных венцов. Лопатки ближнего к соответствующему ротору ряда лопаточного венца установлены под углом 10-25^о к плоскости, перпендикулярной оси роторной системы вращателя. Лопатки другого ряда установлены под углом 30-50^о к упомянутой плоскости.

Соединение одного из элементов механизма подачи и ударной массы с бурильной колонной и со статорной системой вращателя обеспечивает воздействие на поршень механизма подачи перепада давления, срабатываемого на турбинном вращателе и в долоте. Статоры ступеней давления турбины вращателя выполняются в виде двух рядов лопаточных венцов. Лопатки ближнего к соответствующему ротору ряда лопаточного венца устанавливаются под углом 10-25^о к плоскости, перпендикулярной оси роторной системы вращателя, а лопатки другого ряда лопаточного венца под углом 30-50^о к упомянутой плоскости. Это позволяет обеспечить существенное увеличение гидравлического сопротивления турбины в зависимости от направления натекания жидкости на лопатки роторной и статорной систем турбинного вращателя, т.е. обеспечивается рост ударных потерь напора жидкости по мере роста моментной загрузки роторной системы.

Нижний предел значений (10^о) интервала установочных углов лопаток одного ряда обусловлена как особенностями технологического процесса изготовления турбины методами точного литья по выплавляемым моделям, так и необходимыми значениями увеличения коэффициента гидравлического сопротивления ступени давления при заторможенном роторе вращателя. Верхний предел значений (25^о) обусловлен теми же соображениями и зависит от геометрических параметров ступени давления турбины и габаритных размеров турбины вращателей с разным наружным диаметром. Нижний предел значений (30^о) интервала установки другого ряда лопаточных венцов обусловлен необходимостью получения максимально возможных КПД таких турбин на режимах максимальной мощности и близких к холостым. Верхний предел значений (50^о) обусловлен теми же соображениями, однако приходится принимать во внимание наружные диаметральные габариты вращателей, а следовательно, а габаритные размеры турбины.

На фиг.1 изображено устройство для бурения, общий вид; на фиг.2 механизм подачи, продольный разрез; на фиг.3 ступень давления турбинного вращателя с разверткой лопаточных венцов по средней окружности, продольный разрез.

Устройство для бурения содержит бурильную колонну 1 и последовательно подсоединенные к ней, механизм 2 подачи, ударную массу 3, турбинный вращатель 4 и долото 5. Механизм 2 подачи включает корпус 6, соединенный с бурильной колонной 1, и шток 7 с поршнем 8, соединенный с ударной массой 3. Последняя представлена одной или несколькими утяжеленными трубами. Поршневая полость 9 механизма подачи 2, образованная в том числе и обращенной к долоту 5 активной поверхностью 10 поршня 8, сообщена с полостью бурильной колонны 1 посредством отверстий 11 штока 7. Поршневая полость 12 сообщается с затрубным пространством через отверстия 13 корпуса 6. Подвижный (относительно корпуса 6) шток 7 перемещается в неподвижно закрепленных в корпусе 6 уплотнениях 14. Передача крутящего момента с корпуса 6 на шток 7 осуществляется посредством профильных направляющих 15. Статорная система турбинного вращателя 4 подсоединена к ударной массе 3, а роторная система к долоту 5. Статоры ступеней давления турбины вращателя 4 выполнены в виде двух рядов лопаточных венцов 16 и 17. Лопатки 18 ближнего к соответствующему ротору 19 ряда лопаточного венца 17 установлены под углом α₁ в 10-25^о к плоскости, перпендикулярной оси роторной системы вращателя 4. Лопатки 20 лопаточных венцов 16 установлены под углом α₂ в 30-50^о к упомянутой плоскости.

Лопатки 21 роторов устанавливаются под углом β в 40-75^о к плоскости, перпендикулярной оси роторной системы вращателя 4. Турбинный вращатель 4 может снабжаться редуцирующим узлом (на чертеже не показан) с возможно большим передаточным отношением. При этом число ступеней давления турбины и передаточное отношение редуцирующего узла взаимоопределяются таким образом, чтобы вес ударной массы 3 утяжеленной трубы (труб), умноженный на удельную моментность долота 5 (бурового наконечника) был бы больше предельного (тормозного) момента турбинного вращателя 4.

Устройство работает следующим образом.

Подобно тому, как это делается при бурении с использованием забойных двигателей, каждое новое долбление начинается с того, что инструмент с новым долотом 5 нужно подвести к забою. Для вращения нового долота 5 в суженной части старого, ранее пробуренного ствола требуется очень высокий вращающий момент, которым турбинный вращатель 4 не располагает. Поэтому даже при очень плавной подаче инструмента "с навеса" в суженный ствол вращатель 4 останавливается, следствие чего является весьма существенный (в несколько раз) рост перепада давления на турбине вращателя 4. Вследствие этого на ту же величину возрастает давление в поршневой полости 9 механизма подачи 2. Произведение этого давления на площадь активной поверхности 10 поршня 8 значительно превышает вес ударной массы 3, долота 5 и вращателя 4. Шток 7 механизма подачи 2 выводит долото 5 из суженной части ствола, освобождая его от внешней моментной нагрузки. За время, исчисляемое 1/100-1/10 с, вращатель 4 выводит долото 5 на холостую частоту вращения, следствием чего является 10-кратное падение перепада давления на турбине вращателя 4, а следовательно, и в поршневой полости 9 механизма 2 подачи. Под воздействием силы тяжести ударной массы 3 и турбинного вращателя 4 с долотом 5, неуравновешенной давлением в поршневой полости 9 происходит подача долота 5 к забою и, как следствие, его остановка. Цикл повторяется.

Устанавливается автоколебательный режим, который сохраняется и при бурении сплошного забоя. При этом часть гидравлической мощности турбинного вращателя 4 реализуется долотом 5 на разрушение горной породы. Таким образом, возбудителем гидроударного вращательного режима бурения служит турбина турбинного вращателя 4, задающая величину импульса давления, воздействующего на поршень 8 механизма 2 подачи.

Использование: в горном деле, а именно в конструкциях гидравлических забойных двигателей. Сущность: устройства для бурения включает бурильную колонну, турбобур с закрепленным на его валу долотом, утяжеленные бурильные трубы и механизм подачи, выполненный в виде полого корпуса и размещенного в полости корпуса поршня со штоком, установленным с возможностью осевого перемещения и зафиксированным от проворота относительно корпуса. Подпоршневая полость механизма подачи сообщена с полостью бурильной колонны, а надпоршневая полость с затрубным пространством. Утяжеленные бурильные трубы установлены над турбобуром. Корпус механизма подачи соединен с бурильной колонной, а поршень со штоком - с утяжеленными бурильными трубами. Статоры турбин турбобура выполнены в виде двух последовательно расположенных лопаточных венцов. Лопатки первого по ходу промывочной жидкости венца расположены под углом 30-50°, лопатки второго венца под углом 10-25°, а лопатки ротора - под углом 40-75° к плоскости, перпендикулярной оси турбобура. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ, включающее бурильную колонну, турбобур с закрепленным на его валу долотом, утяжеленные бурильные трубы и механизм подачи, выполненный в виде полого корпуса и размещенного в его полости поршня со штоком, установленного с возможностью осевого перемещения и зафиксированного от проворота относительно корпуса, причем подпоршневая полость механизма подачи сообщена с полостью бурильной колонны, а надпоршневая полость с затрубным пространством, отличающееся тем, что утяжеленные бурильные трубы установлены над турбобуром, корпус механизма подачи соединен с бурильной колонной, а поршень со штоком с утяжеленными бурильными трубами, причем статоры турбин турбобура выполнены в виде двух последовательно расположенных лопаточных венцов, при этом лопатки первого по ходу промывочной жидкости венца расположены под углом 30-50^o, лопатки второго венца под углом 10-25^o, а лопатки ротора под углом 40-75^o к плоскости, перпендикулярной оси турбобура.