КОМПОНОВКА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 1997 года по МПК E21B17/00 

Изобретение относится к области бурения скважин вращательными способами с передачей крутящего момента на породоразрушающий инструмент через колонну бурильных труб.

Необходимость данного технического решения определяется чрезвычайно сложными условиями работы бурильных колонн. К таковым относятся высокая степень деформации под действием внешних сил в основном осевых и центробежных. В результате происходит прижатие деформированной в виде полуволн изгиба колонны к стенке скважины. Возникающая на контакте со стенкой скважины сила трения вызывает качение колонны в направлении, противоположном задаваемому буровым станком, что сопровождается вибрацией, повышенным износом и аварийностью, повышением потребления энергии на вращение колонны и собственно на бурение.

Одним из путей снижения вибрации и повышения эффективности использования бурильных колонн является применение компоновок со смешенным центром тяжести поперечного сечения.

Известна колонна бурильных труб по авторскому свидетельству N 1406332 E 21 B 17/00, 17/10, опубл. в б.и. N 24, 1987, содержащая бурильную трубу со смешенным центром тяжести поперечного сечения, которая установлена над породоразрушающим инструментом.

Недостатком данного аналога является низкая эффективность, так как при его использовании возникает повышенная сила трения на контакте со стенкой скважины и, как следствие, повышается износ, наблюдается неравномерность вращения в скважине. В результате снижается ресурс инструмента и показатели бурения.

За прототип принята компоновка бурильной колонны по патенту США N 3306378, кл. 175-325, 1967, содержащая бурильную трубу со смещенным центром тяжести поперечного сечения, опорно-центрирующие элементы, а также бурильные трубы без смещенного центра тяжести поперечного сечения.

Недостатком прототипа является то, что наличие опорно-центрирующих элементов не обеспечивает снижение силы трения на контакте компоновки со стенкой скважины, так как они установлены в компоновке без учета особенностей динамики компоновки со смещенным центром тяжести поперечного сечения.

Сущность изобретения состоит в том, что в буровой компоновке содержащей бурильную трубу со смещенным центром тяжести поперечного сечения и опорно-центрирующими элементами, а также бурильные трубы без смещения центра тяжести поперечного сечения, согласно изобретению опорно-центрирующие элементы выполнены с опорами качения, которые устанавливаются на концах трубы со стороны смещения центра тяжести в диапазоне центрального угла поперечного сечения, равного 90 градусов, измеренного от диаметральной плоскости сечения трубы, проходящей через смещенный центр тяжести. В то же время опоры качения расположены в диапазоне указанного центрального угла, равного 90 градусов, противостоящего направлению вращения колонны.

При вращении в скважине компоновки со смещенным центром тяжести она прижимается под действием центробежной силы F_ц (фиг. 3) к стенке скважины. На контакте со стенкой скважины возникает сила трения F_тр, равная F_ц•μ_c, где μ_c коэффициент трения скольжения. Под действием силы трения F_тр компоновка проворачивается на угол β (фиг. 4) и в таком положении вращается в скважине в направлении , заданном буровым станком. Центробежная сила F_ц при этом направлена не в точку контакта компоновки со стенкой скважины, и сила трения будет меньше первоначальной, так как определяется как F_ц•μ_ccosβ. Положение компоновки, показанное на фиг. 4, является при вращении устойчивым, на что указывает износ компоновки (фиг. 7). Износ компоновки располагается вдоль оси компоновки в диапазоне угла α = 90, равного 90 градусов. Для повышения эффективности работы компоновки со смещенным центром тяжести необходимо уменьшить возмущающую равномерное вращение силу трения. В предлагаемой компоновке это решается расположением опор качения опорно-центрирующих элементов именно в месте контакта со стенкой скважины в диапазоне центрального угла α, равного 90 градусов (фиг. 5). В этом случае сила трения будет равна F_ц•μ_к•cosβ, где μ_к коэффициент трения качения. Известно, что коэффициент трения качения на порядок меньше коэффициента трения скольжения. Таким образом добиваемся снижения силы трения компоновки о стенку скважины, что обеспечивает устойчивый, равномерный вид движения компоновки и, в свою очередь, повышает механическую скорость бурения, снижает затраты мощности на бурение, повышает ресурс инструмента. В случае, если колонна бурильных труб с предлагаемой компоновкой вращается по часовой стрелке (направление вращения задается буровым станком), опоры качения устанавливаются справа от диаметральной плоскости сечения трубы, проходящей через смешенный центр тяжести, если обеспечивается вращение против часовой стрелки, то слева от указанной плоскости.

Приведенные отличительные признаки в указанной совокупности нами не обнаружены в известных технических решениях, что предполагает соответствие заявляемой компоновки критерию изобретательского уровня.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемой буровой компоновки;
на фиг.2 схема расположения опор качения в компоновке;
на фиг. 3 схема работы компоновки (прототип) в скважине (1 этап вращения);
на фиг. 4 схема работы компоновки (прототип) в скважине (2 этап вращения);
на фиг. 5 схема работы компоновки с опорами качения в скважине;
на фиг. 6 схема бурильной колонны и варианты расположения в ней предлагаемой компоновки;
на фиг. 7 типовой износ компоновки (прототип) на развертке поверхности и вид сечения трубы.

Предлагаемая компоновка включает бурильную трубу 1 со смещенным центром тяжести поперечного сечения за счет смещения оси 2 внутренней цилиндрической поверхности относительно оси 3 наружной цилиндрической поверхности корпуса трубы 1. На концах трубы 1 с помощью резьб 4 установлены опорно-центрирующие элементы 5 с резьбами 6 для соединения с элементами бурильной колонны (в заявке не рассматривается). На боковой поверхности опорно-центрирующих элементов 5 в диапазоне центрального угла α поперечного сечения бурильной трубы 1 установлены опоры качения 7 таким образом, что контакт со стенкой скважины осуществляется через опоры качения 7. Опоры качения 7 расположены в диапазоне центрального угла a, равного 90 градусов, противостоящего направлению вращения бурильной колонны.

Предлагаемая компоновка работает следующим образом. Компоновка бурильной колонны, состоящей из бурильной трубы 1 с опорами качения 7, устанавливается или над породоразрушающим инструментом 9 или по всему интервалу сжатой части бурильной колонны, чередуясь с бурильными трубами 8 с выбранным шагом (фиг. 6). С бурильными трубами 8 компоновка соединяется с помощью резьб 6 на ее концах, выполненных в опорно-центрирующих элементах 5 с опорами качения 7.

Когда колонна бурильных труб 8 с предлагаемой компоновкой находится в скважине и через нее передается крутящий момент на породоразрушающий инструмент 9, под действием центробежной силы, вызванной наличием смещенного центра тяжести поперечного сечения (точка А), компоновка прижимается к стенке скважины и проворачивается на угол b, так как в точке контакта со стенкой скважины возникает сила трения. При этом компоновка опирается на стенку скважины опорами качения 7 и вращается в направлении , обкатываясь вокруг оси скважины. Поскольку сила трения, при равных условиях, определяется видом трения, в данном случае скольжения или качения, то при бурении предлагаемой компоновкой с трубами со смещенным центром тяжести 1 и опорами качения 7, она будет минимальной. Вращение компоновки будет минимальным. Вращение компоновки будет более равномерным, без вибрации и определит вид движения породоразрушающего инструмента 9 и бурильных труб 8. Являясь ведущей при вращении, компоновка обеспечит близрасположенным элементам бурильной колонны равномерный безвибрационный вид движения. Чем меньше будет сила трения на контакте предлагаемой компоновки со стенкой скважины, тем более равномерным будет вращение компоновки и тем большее число бурильных труб 8 участвует в равномерном, безвибрационном и потребляющем меньшее количество энергии бурении. В результате будет достигаться положительный эффект, определяемый комплексом показателей: снижением искривления скважины, повышением скорости бурения, снижением затрат мощности на вращение колонны, снижением износа элементов бурильной колонны.

Использование: при бурении скважин. Сущность изобретения: компоновка бурильной колонны включает бурильную трубу со смещенным центром тяжести поперечного сечения, например смещением оси внутренней цилиндрической поверхности относительно оси наружной цилиндрической поверхности корпуса трубы. На концах трубы установлены опорно-центрирующие элементы для соединения с элементами бурильной колонны. На боковой поверхности опорно-центрирующих элементов в диапазоне центрального угла поперечного сечения трубы, равного 90 градусов, установлены опоры качения таким образом, чтобы контакт со стенкой скважины при бурении приходился именно на опоры качения. Угол, равный 90 градусов, измеряется от диаметральной плоскости поперечного сечения трубы, проходящей через центр тяжести сечения. При этом опоры качения расположены в диапазоне названного угла, противостоящего направлению вращения бурильной колонны. В бурильную колонну компоновка ставится или над породоразрушающим инструментом, или между обычными бурильными трубами с определенным шагом по всему интервалу сжатой части колонны. 7 ил.

Компоновка бурильной колонны, включающая породоразрушающий инструмент, бурильную трубу со смещенным центром тяжести и опорно-центрирующими элементами, а также бурильные трубы без смещения центра тяжести, отличающаяся тем, что бурильная труба со смещенным центром тяжести выполнена с опорами качения, которые расположены на ее концах со стороны смещения центра тяжести, при этом опоры качения установлены в диапазоне центрального угла поперчного сечения равного 90^o, измеренного от диаметральной плоскости сечения трубы, проходящей через смещенный центр тяжести, причем опоры качения расположены в диапазоне указанного центрального угла противостоящего направлению вращения бурильной колонны.