ТУРБОБУР Российский патент 2001 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к области техники, которая используется для бурения нефтяных и газовых скважин и в более узком подразделении - к забойным двигателям - турбобурам, которые приводят во вращение долото, разрушающее забой скважин.

Аналогом нашего изобретения является колонковое турбодолото с вращающимся корпусом-ротором (см.Р.А.Иоаннесян "Основы теории и техники турбинного бурения", Гостоптехиздат, 1953 г. , Москва, стр.137). Однако конструкция этого турбодолота не позволяла разрушать образующийся при бурении керн, так как через нижний конец его полой оси пропускалась до шарошек буровой головки керноприемная труба.

Ближайшим аналогом нашего изобретения является инструмент, выполненный по патенту Российской Федерации N 2100559 (27.12.97 г., бюл. N 36).

В этом патенте описан турбобур, корпус которого вращается ротором буровой установки через колонну бурильных труб, на нижнем конце которой он закреплен.

На нижнем торце корпуса турбобура закреплена алмазная кернообразующая коронка. Внутреннее долото, "утопленное" в корпусе турбобура, закреплено на нижнем конце его вала. Назначение внутреннего долота - разбуривать керн, обуриваемый алмазной коронкой. Единственным, но весьма серьезным недостатком ближайшего аналога является тот факт, что по соображениям прочности бурильной колонны корпусную алмазную коронку нельзя вращать с частотой более чем 120-250 об/мин. Это обстоятельство является главной причиной, ограничивающей механическую скорость бурения, а следовательно и его эффективность.

Данное изобретение позволяет снять это ограничение и дает возможность поднять частоту вращения корпусной коронки до уровня в 1000-1500 об/мин. При этом повышается и эффективность работы внутреннего керноразрушающего долота, так как оно может выполняться шарошечным с герметизированными опорами.

Сущность изобретения заключается в создании турбобура, вращающийся корпус-ротор которого имеет связанную с ним кернообразующую коронку, закрепленную с помощью резьбы на нижнем конце керноприемного корпуса, который своим верхним концом закреплен на нижней резьбе соединительного переводника корпуса турбобура. Вал турбобура своим верхним концом закреплен на нижней трубе бурильной колонны; на его нижнем конце с помощью резьбы гайки-переводника крепится долото, которое размещается внутри керноприемного корпуса.

Расстояние от нижнего торца кернообразующей коронки до породоразрушающей поверхности внутреннего долота, связанного с валом турбобура посредством гайки-переводника, выбирается в пределах диапазона значений от одного до десяти метров. Подобная конструкция турбобура позволяет большую часть площади забоя скважины, представленного "башней" - колонной керна, не разбуривать, а раздавливать и ломать, что существенно увеличивает эффективность процесса углубления ствола скважины.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена общая сборка турбобура. На фиг. 2 - сечение "А-А" турбобура.

Верхний ниппельный переводник 1 корпуса 2 турбобура и нижний соединительный переводник 3 за счет осевого усилия сжатия крепят в корпусе 2 роторные ступени давления 4 турбины; роторные элементы 5 одной или нескольких радиальных опор и подпятники 6. Вал 7 турбобура своим верхним резьбовым концом крепится к нижней трубе 8 бурильной колонны.

На валу 7 турбобура с помощью гайки-переводника 9 крепятся статорные ступени давления 10 турбины; статорные элементы 11 радиальных опор; диски 12 осевой пяты; фонарь 13. В своей верхней части вал 7 турбобура имеет внутреннюю полость 14, которая гидравлически связывает внутреннюю полость бурильной колонны с надтурбинной полостью 15 корпуса 2 через окна 16 и фонарь 13 вала 7. Проставочные втулки 17 дисков 12 осевой пяты позволяют зафиксировать корпус 2 турбобура на его валу 7 с осевым люфтом до 14 мм. К нижнему торцу гайки-переводника 9 на резьбе крепится внутреннее долото 18. Гайка-переводник 9 имеет окна 19, которые гидравлически связывают внутреннюю полость гайки-переводника 9 со ступенями давления турбины. К нижнему соединительному переводнику 3 корпуса 2 турбобура на резьбе крепится керноприемный корпус 20, который на своей внутренней поверхности имеет продольные, либо спиральные канавки 21 (см. фиг. 2). К нижнему концу керноприемного корпуса 20 на резьбе крепится кернообразующая алмазная, либо поликристаллическая алмазная коронка 22.

Роторные 4 и статорные 10 ступени турбины выполняются с лопаточными венцами либо высоко, либо низко циркулятивного типа, что обеспечивает изменение коэффициента гидравлического сопротивления турбины в функциональной связи с частотой вращения корпуса-ротора турбобура.

Работа турбобура.

Турбобур в комплексе всех вышеописанных элементов его конструкции, закрепленный на конце бурильной колонны, подводится к забою скважины, после чего включаются буровые насосы. Начинается обычный процесс бурения, при котором бурильная колонна с частотой 15-60 об/мин вращается ротором буровой установки, вращая вал 7 турбобура, который своим верхним концом закреплен с помощью резьбы на нижней трубе бурильной колонны. Корпус-ротор турбобура вращается на своем валу 7 с частотой до 1500 об/мин. Кернообразующая алмазная коронка 22 начинает обуривать "башню"-колонну керна большого диаметра, который начинает заходить в керноприемный корпус 20; так вплоть до соприкосновения с внутренним долотом 18. До этого момента корпус 2 турбобура находится в крайнем "нижнем" положении, при котором подпятники 6 своей нижней торцовой стороной опираются на верхнюю торцовую поверхность дисков 12 осевой пяты. Бурильщик наблюдает за частотным режимом работы турбобура по давлению на выкидах насосов. В моменты, когда ротор турбобура выходит на режимы работы, близкие к холостым частотам вращения, бурильщик резко подает инструмент к забою на 10-50 мм.

При этом вращающееся с низкой частотой внутреннее долото 18 сжимает с большим продольным усилием колонну керна, ломает и мнет ее. В керне образуются многочисленные трещины и выколы, по которым внутрь него проникает буровой раствор и его фильтрат. Трещины и фильтрующаяся в керн жидкость многократно ослабляют и в еще большей мере дезинтегрируют его, что в свою очередь существенно увеличивает эффективность работы долота 18 по его окончательному разрушению. Обломки керна по канавкам 21 керноприемного корпуса 20 и промывочным каналом коронки 22 потоком бурового раствора (проходящего через ступени давления 4 и 10 турбины; через окна 19 гайки-переводника 9 и ее внутреннюю полость и далее через центральный промывочный канал долота 18) выносятся в кольцевое пространство за корпусом 2 турбобура. Таким образом механизмом, лимитирующим механическую скорость бурения, является алмазная коронка 22, которую корпус-ротор турбобура вращает с частотой в 4 - 10 раз большей, чем у ближайшего аналога-прототипа.

Изобретение относится к технике бурения глубоких скважин, в частности к турбобурам. Турбобур для бурения глубоких скважин состоит из корпуса-ротора, в котором с помощью ниппеля и соединительного переводника неподвижно закреплены роторные ступени давления турбины, роторные элементы радиальных опор и роторные элементы осевой пяты. На оси турбобура с помощью гайки-переводника неподвижно закреплены статорные ступени давления, статорные элементы радиальных опор, статорные элементы осевой пяты и фонарь. К нижней резьбе соединительного переводника присоединен керноприемный корпус, к нижней резьбе которого крепится кернообразующая коронка. К нижней резьбе гайки-переводника крепится внутреннее долото. Ось турбобура своим верхним концом крепится к нижней трубе бурильной колонны. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и производительности бурения путем обеспечения повышения частоты вращения кернообразующей коронки. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Турбобур, содержащий корпус, в котором расположены вал, роторные и статорные ступени давления турбины, роторные и статорные элементы радиальных опор и осевой пяты, фонарь, с помощью которого внутренняя полость вала, сообщенная с внутренней полостью бурильных труб, гидравлически связана посредством окон, выполненных в верхней части вала, с надтурбинной полостью внутри корпуса, кернообразующую коронку, связанную с корпусом, и долото, связанное с валом турбобура, отличающийся тем, что вал турбобура закреплен на нижней трубе бурильной колонны, при этом в корпусе турбобура с помощью ниппельной гайки и соединительного переводника неподвижно закреплены роторные ступени давления турбины, роторные элементы радиальных опор и осевой пяты, а вал турбобура связан с долотом, размещенным внутри керноприемного корпуса при помощи гайки-переводника, посредством которой на валу неподвижно закреплены статорные ступени давления турбины, статорные элементы радиальных опор и осевой пяты, причем керноприемный корпус закреплен на нижней резьбе соединительного переводника корпуса турбобура. 2. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что его керноприемный корпус имеет на своей внутренней поверхности продольные либо спиральные канавки. 3. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что гайка-переводник имеет окна, гидравлически связывающие ее внутреннюю полость со ступенями давления турбины. 4. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что в нем установлены ступени давления турбины низкоциркулятивного либо высокоциркулятивного типа. 5. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что его корпус-ротор имеет осевой люфт относительно его вала до 14 мм.