ГИДРОБУР Российский патент 1997 года по МПК E21B4/00 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к гидравлическим забойным двигателям для бурения скважин.

Известен турбобур (авт.свид. N 1629452, кл. E 21 B 4/02), содержащий корпус с установленным в нем валом, центральный канат которого связан с полостью бурильных труб, механизм передачи вращения валу и долото.

Недостатком данного устройства является зашламляемость скважины при бурении и утечка промывочной жидкости, а также невозможность бурения горизонтальных скважин, особенно с отрицательным углом наклона.

Цель изобретения расширение технологических возможностей бурения, снижение зашламленности скважины и утечек промывочной жидкости, повышение эффективности разрушения породы.

Данная цель достигается тем, что в корпусе гидробура наряду с внутренним валом коаксиально установлен внешний вал, в выемках которых на осях установлены ролики, взаимодействующие с корпусом, а в выемках корпуса установлены запорные ролики с цилиндрическими выемками, радиус которых соответствует радиусу обечающих роликов. Внешний и внутренний валы связаны кинематически друг с другом, а также с валами запорных роликов и шарошечных долот, причем передаточные отношения пар зубчатых колес, находящихся в зацеплении, установленных на внешнем и внутреннем валах и валах шарошечных долот, не равны. А между корпусом и стенкой скважины установлено уплотнение. Причем, в корпусе установлен клапан, соединяющий зону скважины и забойную зону, который регулируется давлением подводимого промывочного раствора.

На фиг. 1 изображен продольный разрез гидробура; на фиг. 2 разрез по оси А'-А' фиг. 1; на фиг. 3 разрез по оси Б'-Б' фиг. 1; на фиг. 4 разрез по оси В'-В' фиг. 2.

Гидробур имеет корпус (1), жестко связанный с колонной бурильных труб (2), содержащей полости подвода (А) и отвода (Б) промывочной жидкости. На корпусе (1) на подшипниковых опорах (3) и (4) установлены валы: внутренний (5) и внешний (6). В выемках валов (5) и (6) на осях (7) и (8) установлены ролики (9) и (10), взаимодействующие с корпусом и роликами (11), установленными на валах (12) в корпусе (1). На роликах (11) выполнены цилиндрические выемки (13), радиусы которых соответствуют радиусам обечающих роликов (9) и (10).

В корпусе (1) выполнены каналы: a, b, c, d, e, f, g, j, связанные с коллекторами: В, Г, Д, Е и камерами: K, L, m, n; между корпусом (1) и внутренним валом (5), ограниченными роликами (9) и (11) и камерами: x, z, u, y; между корпусом (1) и внешним валом (6), ограниченными роликами (10) и (11).

На валах (5) и (6) установлены шестерни (14) и (15), кинематически связанные через зубчатые колеса (16) и (17), установленные на валах (18) шарошечных долот (19). Внутренний (5) и внешний (6) валы кинематически связаны друг с другом шестернями (20), (21), и (23), установленными соответственно на валах (5), (6) и (12). На корпусе (1) установлено уплотнение (24), отделяющее забойную зону (25) от канала скважины (26). В корпусе (1) установлен предохранительный клапан (27), обеспечивающий требуемую технологией бурения осевую нагрузку на долото и саморегулирующий рабочее давление в забойной зоне. Он также является обратным клапаном при опускании гидробура в зону забоя. Клапан (27) регулируется давлением промывочной жидкости из плоскости подвода (А).

Гидробур работает следующим образом.

В процессе бурения промывочная жидкость через полость (А) колонки бурильных труб (2) поступает под давлением в коллектор (В) привода внутреннего вала, откуда в каналы (a) и (b), выполненные в корпусе (1) и камеры (L) и (n), воздействуя при этом на ролики (9) и (11). И, если запирающие ролики (9), установленные на валу (5), начинают его вращать, как бы отталкиваясь от запорного ролика (11), обегая корпус (1), передавая валу вращения против часовой стрелки.

Промывочная жидкость, находящаяся в камерах (K) и (m), ограниченных роликами (9) и (11), движением роликов (9), обечающих корпус (1), вытесняется в каналы (c) и (d) корпуса (1), коллектор (Г) и забойную зону (25), где перемешивается со шламом.

Вращение вала (5) через кинематические зубчатые передачи, включающие шестерни (20), (21), (22) и (23), передается валу (6), который начинает вращаться по часовой стрелке в сторону, противоположную валу (5), увлекая за собой установленные на нем обечающие ролики (10). При вращении вала (6) относительно корпуса (1) камеры (z) и (x), ограниченные роликами (10) и (11), расширяются, всасывая из забойной зоны (25) через канал между внешним валом (6) и стенкой скважины, коллектор (Д), каналы (f) и (e), выполненные в корпусе (1), промывочную жидкость со шламом, образовавшимся в процессе бурения.

Промывочная жидкость со шламом, находящаяся в камерах (u) и (y), движением роликов (10), обечающих корпус по часовой стрелке, вытесняется в каналы (j) и (g) корпуса, откуда поступает в коллектор (Е) и полость (Б) колонны бурильных труб (2) и выводится на поверхность (не показано).

Цикл повторяется при повороте валов (5) и (6) на 120^o, при этом обеспечивается их равномерное вращение в противоположные стороны, поступление промывочной жидкости в забойную зону (25), ее всасывание со шламом из зоны забоя и отвод на поверхность, т.е. выполняются функции гидродвигателя и гидронасоса. Равномерность и постоянство выполнения этих функций достигается количеством и симметричным расположением обечающих и запорных роликов, обеспечением последовательной кинематической связи валов (5) и (6) через зубчатые шестерни (20) и (21) и зубчатые колеса (22) и (23) валов (12) запорных роликов (11). Причем, отношение зубьев шестерни (20) к зубьям зубчатого колеса (22) должно быть равно отношению зубьев шестерни (21) к зубьям зубчатого колеса (23). Через эту кинематическую связь передается крутящий момент с вала (5) на вал (6), а также обеспечивается синхронность поворота валов (5) и (6) и валов (12), т.е. поворот валов (5) и (6), а, следовательно, и обечающих роликов (9) и (10) на 120^o, и поворот валов (12), и расположенных на них запорных роликов (11) на 180^o. Поэтому, как только обечающие ролики (9) и (10) подходят к запорному ролику (11), он оказывается повернутым к ним выемкой (13), выполненной специально для перепускания обечающих роликов.

При вращении валов (5) и (6) в противоположные стороны шестерни (14) и (15) передают вращение через соответствующие зубчатые колеса (16) и (17) на валы (18) шарошечных долот (19), разрушающих породу для забойной зоны (25) и углубляющих скважину. При этом различие передаточных отношений пар (14) и (16) к передаточному отношению пар (15) и (17) должны обеспечивать вращение шарошечных долот (19) не только вокруг собственной оси О'-О', но и вокруг оси гидробура О-О, что обеспечивает равномерное и ускоренное разрушение породы для забойной зоны (25), т.к. не менее 50% разрушается на разрыв (сдвиг).

Суммарный объем рабочих камер (x+y) и (z+u), работающих на отсос промывочной жидкости со шламом из забойной зоны (25), больше, чем суммарный объем рабочих камер (n+m) и (L+K), нагнетающих промывочную жидкость в нее, что обеспечивает условие для образования перепада давлений между каналом скважины (26) и забойной зоны (25) (Рк.с.>Рз.з.), разделенных уплотнением (24).

Перепад давлений обеспечивает перетекание подземных вод с твердыми включениями и шламом через трещины и пустоты стенки скважины, состоящей из материалов породы, в забойную зону (25), что исключает утечку промывочной жидкости, а также поступление и накопление шлама в пустотах и трещинах стенки скважины с последующим зашламлением канала ствола скважины (26) при введении ее в эксплуатацию или прекращении подачи промывочного раствора в скважину. Перепад давлений между каналом скважины (26) и забойной зоной (25) способствует также созданию осевой нагрузки на долото (19), что обеспечивает необходимое усилие при разрушении поверхности дна забойной зоны (25) независимо от усилия, создаваемого весом гидробура и осевого усилия через штангу труб (2), поэтому обеспечивается возможность бурения не только вертикальных, но и горизонтальных скважин, даже с отрицательным углом, т.е. при необходимости возможно бурение скважины снизу вверх. Предохранительный клапан (27), установленный в корпусе (1), обеспечивает требуемую технологией бурения осевую нагрузку на долото (19), создаваемую от перепада давлений между забойной зоной (25) и каналом скважины (26), и регулирует давление в забойной зоне (25). То есть, при снижении давления в забойной зоне клапан (27), перепуская воду из канала скважины (26) в забойную зону (25), обеспечивает постоянство заданного давления в забойной зоне (25), а, следовательно, постоянство заданного перепада давлений между каналом скважины (26) и забойной зоной (25).

При необходимости, повышение осевой нагрузки на шарошечные долота (19), особенно при горизонтальном или вертикальном обратном бурении, путем повышения давления промывочной жидкости в полости (А) колонки бурильных труб (2) клапан (27) настраивается на больший перепад давлений между каналом скважины (26) и забойной зоной (25), увеличивая осевую нагрузку на шарошечные долота (19).

Использование: в горной промышленности, в частности - в конструкциях гидравлических забойных двигателей. Сущность изобретения: гидробур включает корпус, установленные в корпусе с кольцевым зазором и кинематически связанные между собой с возможностью вращения в противоположные стороны внутренний и внешний валы, привод внутреннего вала и долото. Привод внутреннего вала выполнен из свободно вращающихся на осях запорных роликов, имеющих цилиндрические выемки и установленных в пазах корпуса, и роликов, установленных в пазах внутреннего и внешнего валов с образованием в кольцевом зазоре между валами и корпусом камер для подачи в привод и отвода из призабойной зоны зашламованной промывочной жидкости. В корпусе выполнены подводящие в камеры и отводящие из камер каналы для жидкости. Выемки в запорных роликах выполнены радиусом, равным радиусу роликов внешнего и внутреннего валов. Гидробур снабжен дополнительными долотами и дополнительными валами, установленными на основном и дополнительных долотах. Валы долот кинематически связаны с внутренним и внешним валами передачами с различными по величине передаточным отношением. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Гидробур, включающий корпус, установленные в корпусе с кольцевым зазором и кинематически связанные между собой с возможностью вращения в противоположные стороны внутренний и внешний валы, привод внутреннего вала промывочной жидкостью и породоразрушающий орган в виде долота, отличающийся тем, что привод внутреннего вала выполнен из свободно вращающихся на осях запорных роликов, имеющих цилиндрические выемки и установленных в пазах корпуса, и роликов, установленных в пазах внутреннего и внешнего валов с образованием в кольцевом зазоре между валами и корпусом камер для подачи в привод чистой и отвода из призабойной зоны зашламованной промывочной жидкости, причем в корпусе выполнены подводящие в камеры и отводящие из камер каналы для жидкости, выемки в запорных роликах выполнены радиусом, равным радиусу роликов внешнего и внутреннего валов, а гидробур снабжен дополнительными долотами и дополнительными валами, установленными на основном и дополнительных долотах, при этом валы долот кинематически связаны с внутренним и внешним валами передачами с различным по величине передаточным отношением. 2. Гидробур по п. 1, отличающийся тем, что, с целью снижения утечки промывочной жидкости, он снабжен уплотнением, установленным между корпусом и стенкой скважины. 3. Гидробур по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен установленным в корпусе и регулируемым давлением промывочной жидкости клапаном для обеспечения перепада давления между каналом ствола скважины и забойной зоной. 4. Гидробур по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности разрушения породы, передаточное отношение пар зубчатых колес, находящихся в зацеплении и установленных на внешнем и внутреннем валах шарошечных долот, не равно между собой.