СНАРЯД ДЛЯ БУРЕНИЯ ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ СКВАЖИН Российский патент 1997 года по МПК E21B7/04 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к бурению прямолинейных скважин, и может быть использовано в других отраслях промышленности.

Известны снаряды для бурения прямолинейных скважин, у которых на отдельных звеньях става устанавливаются невращающиеся опорные фонари, предохраняющие буровой став от чрезмерного изгиба [1] Однако подобные фонари плохо предохраняют скважину от искривления.

Более совершенным техническим решением бурения прямолинейных скважин является постановка на головном участке бурового става двух центраторов одинакового диаметра вращающихся вместе с буровым ставом и имеющих малую величину зазора между стенками скважины и опорными поверхностями центраторов [2] Применение такого технического решения позволило значительно уменьшить отклонение скважины от заданного направления. Принимаем это решение за прототип.

Основным недостатком данного технического решения является отклонение буримых скважин от заданного направления.

Целью изобретения является исключение искривления буримых скважин.

Эта цель достигается тем, что центраторы выполняются разного диаметра и размещаются на головном звене так, чтобы первый центратор большего диаметра был ближе к коронке, чем второй, расстояние от коронки до второго центратора выполняется возможно большим и ограничивается продольной устойчивостью головного звена в процессе бурения, диаметр первого центратора выполняется возможно большим и ограничивается минимально возможным зазором между его опорной поверхностью и стенками скважины, позволяющим головному звену свободно вращаться; диаметр второго центратора выбирается по формуле:
D_ц (D_ц1•L D_с•L₁)/(L L₁), м,
где D_ц1 и D_с диаметры соответственно первого центратора и скважины, м; L расстояние от коронки до второго центратора, выбираемое из условия обеспечения продольной устойчивости головного звена, м; L₁ - расстояние от второго до первого центратора, которого меньше L, но рекомендуется возможно большим, м.

Новыми существенными признаками предлагаемого изобретения являются:
центраторы выполняются разного диаметра и размещаются на головном звене так, чтобы первый центратор был ближе к коронке, чем второй, применяется впервые. Он позволяет удерживать коронку в заданном положении как в вертикальной: так и в горизонтальной плоскостях с помощью взаимодействия массы звеньев става с коронкой и других признаков данного изобретения;
расстояние от коронки до второго центратора выполняется возможно большим и ограничивается продольной устойчивостью головного звена в процессе бурения скважины. Этот признак частично известен. Многие авторы стремятся выполнить головной участок или весь буровой став с высокой изгибной жесткостью (продольно устойчивым). Новым в этом признаке является требование продольной устойчивости только одного головного звена става, на котором размещены коронка и оба центратора, так как достаточно иметь высокую изгибную жесткость только этого звена. Остальные звенья става могут иметь меньшую изгибную жесткость (продольную устойчивость), а следовательно потреблять меньшую массу металла, иметь меньшую силу трения в процессе бурения, меньше изнашиваться и меньше тратить энергии на вращение;
диаметр первого центратора выполняется возможно большим и ограничивается минимально возможным зазором между его опорной поверхностью и стенками скважины, позволяющим головному звену свободно вращаться. Этот признак также частично использовался. Многие авторы стараются уменьшить величину зазора между опорными поверхностями центраторов и стенками скважины с целью уменьшить возможность заклинивания става и расход энергии на его вращение. Новым в этом признаке является требование минимально возможного затвора только для одного центратора, который расположен на головном звене ближе к коронке, чем второй центратор, имеющий большую величину затвора. Поэтому общие затраты энергии на вращение всего бурового снаряда значительно снизятся, а малый зазор позволит (во взаимодействии со вторым признаком) уменьшить величину отклонения оси головного звена става от заданного направления бурения;
диаметр второго центратора выбирается по формуле:
D_ц2 (D_ц1•L D_с•L₁)/(L - L₁), м,
где D_ц1 и D_с диаметры соответственно первого центратора и скважины; L расстояние от коронки до второго центратора, выбираемое из условия обеспечения продольной устойчивости головного звена, м; L₁ - расстояние от второго до первого центратора, которое меньше L, но рекомендуется возможно большим, в м, применяется впервые.

Этот признак позволяет выбирать величину диаметра второго центратора и размещение первого центратора на головном звене между вторым и коронкой. Суть его заключается в том, чтобы опорные поверхности обоих центраторов и стенки скважины около коронки находились на одной прямой линии. Тогда взаимодействие всех перечисленных признаков позволит в любой момент бурения скважины перекашивать головное звено става в сторону, противоположную той, по которой скважина стремится отклониться от заданного направления как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, причем угол перекоса головного звена при выполнении указанных признаков будет равен углу возможно изгиба скважину в рассматриваемых плоскостях, а следовательно направление бурения скважины будет оставаться прямолинейным.

На фиг.1 изображена схема снаряда в вертикальной плоскости со всеми силами, воздействующими на головное звено става, на фиг.2 схема снаряда в горизонтальной плоскости.

Снаряд для бурения прямолинейных скважин состоит из коронки 1, двух центраторов Ц1 и Ц2, установленных на головном звене става 2, и последующих звеньев става 3 (показаны частично). Все звенья става, в том числе и головное, могут выполняться из гладких труб или шнеков. Бурение скважины может осуществляться вращательным или ударно-вращательным способом, а удаление продуктов разрушения с помощью воды, воздуха или шнеками. В процессе бурения на буровой снаряд действуют следующие силы:
P_п осевое усиие подачи;
M_кр крутящий момент;
G_с масса части бурового става;
G_г масса головного звена става с центраторами и коронкой.

На схемах обозначены точками: O центр продольной оси коронки; O_с центр продольной оси скважины; O_г центр продольной оси головного звена.

Работает буровой став следующим образом. Коронка 1 разрушает породу за счет воздействия на нее осевого усилия подачи p_п и крутящего момента M_кр. Она жестко соединена с головным звеном става 2, который воспринимает Р_п и М_кр от остальных звеньев става 3. На головном звене 2, имеющем достаточную изгибную жесткость, установлено два центратора Ц1 и Ц2, которые имеют неодинаковый диаметр, причем диаметр Ц2 меньше диаметра Ц1. Рассмотрим взаимодействие сил и элементов снаряда в вертикальной плоскости (см. фиг.1). В процессе бурения всегда выполняется условие, когда диаметр скважины D_с несколько больше диаметра коронки D_к, а диаметры центраторов меньше диаметра скважины. Силы тяжести G_с и G_г прижимают опорные поверхности обоих центраторов к нижней стенке скважины в точках B и C и поворачивают при этом продольную ось головного звена ОО_г относительно заданного направления скважины O_сO на угол O_сOO_г, имеющий весьма незначительную величину.

При таком повороте головного звена коронка 1 будет разрушать породу и образовывать скважину, нижняя стенка которой окажется в точке A. Подбор диаметров центраторов и их размещения на головном звене сделан таким, чтобы все три точки A, B и C лежали на одной прямой линии. Если эти условия соблюдаются, то точка O не будет отклоняться от заданного направления в вертикальной плоскости.

По существу такие же явления будут происходить и в горизонтальной плоскости. За счет воздействия осевого усилия Р_п буровой став 3 изогнется и изменит направление действия силы Р_п, например, как это показано на фиг.2. Она прижмет опорную поверхность Ц2 к левой стенке скважины в точке C'. При этом за счет поперечной жесткости головного звена оно старается изогнуться так, как это показано пунктиром на фиг.2, и прижмет за счет сил упругости опорную поверхность Ц1 к левой стенке скважины в точке B', а коронка 1 будет образовывать скважину, левая стенка которой окажется в точке A', то есть точки A', B' и C' окажутся на одной прямой линии. В этом случае ось головного звена OO_г отклонится от оси скважины O_сO на угол O_гOO_с, величина которой будет такой же, как и вертикальной плоскости. Следовательно, бурение скважины в обеих плоскостях будет иметь прямолинейное направление.

В процессе бурения скважины возможны такие явления, как встреча с более крепкими включениями или наоборот с более слабыми породами с какой-либо стороны скважины. В этих случаях будет происходить следующее.

Например, если с правой стороны скважины (см. фиг.2) встретится более крепкое включение и начет воздействовать на коронку, стремясь передвинуть точку O влево, при этом опорная поверхность Ц1 сильнее прижмется в точке B' к стенке скважины и за счет поперечной жесткости головного звена начнет отрывать опорную поверхность Ц2 от стенки скважины в точке C', то есть противодействовать действию силы Р_п. которая не позволит сделать этого. Поперечная жесткость головного звена и разный диаметр центраторов также не позволяют отклоняться скважине от заданного направления и при действии отклоняющей силы слева. Подобные явления стабилизации прямолинейного направления буримой скважины будут и в вертикальной плоскости, с той лишь разницей, что при действии отклоняющей силы сверху отклонению точки O вниз будет препятствовать только поперечная жесткость головного звена, а при действии ее снизу и масса этого звена.

Использование: изобретение относится к области горной промышленности, в частности может быть использовано при бурении прямолинейных скважин. Сущность изобретения: снаряд для бурения прямолинейных скважин состоит из коронки, головного звена, двух центраторов и последующих звеньев бурового става. Центраторы выполнены разного диаметра и установлены на головном звене так, что центратор большего диаметра размещен ближе к коронке, расстояние от коронки до центратора меньшего диаметра выполнено максимально возможным из условия продольной устойчивости головного звена, а диаметр большего центратора - с обеспечением минимального возможного зазора между его опорными поверхностями и стенками скважины. Диаметр меньшего центратора выбирается по формуле: D_ц2 = (D_ц1•L - D_с•L₁)/(L-L₁), где D_ц1 и D_с - диаметр центратора и скважины, м, L - расстояние от коронки до центратора меньшего диаметра и скважины, м, L₁ - расстояние между центраторами, м. 2 ил.

Снаряд для бурения прямолинейных скважин, включающий коронку, головное звено бурового става с высокой изгибной жесткостью и двумя центраторами, позволяющими ему свободно вращаться в скважине, и остальные звенья става, отличающийся тем, что центраторы имеют разный диаметр, причем первый центратор, расположенный ближе к коронке, выполняется с возможно большим диаметром, ограничиваемым минимально возможным зазором между его опорной поверхностью и стенками скважины, а второй центратор, расположенный на возможно большем расстоянии от коронки, ограничиваемым продольной устойчивостью головного звена, выполняется с меньшим диаметром, определяемым по формуле
D_ц2 (D_ц1•L D_c•L₁)/(L - L₁),
где D_ц1 и D_с диаметры соответственно первого центратора и скважины, м;
L расстояние от коронки до второго центратора, выбираемое из условия обеспечения устойчивости головного звена, м;
L₁ расстояние от первого до второго центратора, которое меньше L, но рекомендуется возможно большим, м.