УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН Российский патент 2001 года по МПК E21B7/14 E21B7/08 

Изобретение относится к технологии проходки скважин в геологических структурах и касается технических средств для этой технологии.

В настоящее время известны принципиальные направления технических решений в этой области, наиболее представительным из которых можно считать устройство для проходки скважин, содержащее бурильный агрегат в виде штанги с закрепленным на ней рабочим органом, силовую установку для привода штанги и рабочего органа [1].

Существенным и очевидным недостатком этого устройства является оснащение рабочего органа удлиненной штангой, соединенной на дневной поверхности земли с силовой установкой, что не дает возможности оперативно менять направление проходки скважины, менять это направление на локальных участках проходимой скважины; процесс проходки связан с высокими энерго- и трудозатратами ввиду низкого КПД (от 1,5 до 5,0%) передачи энергии от силовой установки на забой.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для проходки скважин, содержащее корпус, размещенную в полости корпуса силовую установку, выполненную в виде генератора рабочего тела, породоразрушающий конический полый рабочий орган, имеющий в своем основании обратный усеченный конус, связанный с корпусом, при этом в стенках рабочего органа установлены рабочие сопла, которые ориентированы своими осями: частью - по нормали к забою, другой частью - под различными острыми углам к поверхности забоя, а частью - в направлении, обратном забою, а часть сопел ориентирована своими осями под углом к диаметральной плоскости рабочего органа [2].

Обладая определенными преимуществами перед аналогами, это устройство имеет и существенные недостатки, заключающиеся в его принципиальной конструктивной схеме, технические возможности которой не позволяют проходить скважину сложной траектории, где задаются переходы из одного направления в другое по кривой малого радиуса, при локальных изгибах траектории, выполнении каверы для разворота устройства. Эти недостатки не позволяют оперативно менять принцип и направление проходки скважины в единой технологической операции.

Технический результат данного изобретения заключается в устранении отмеченных недостатков за счет упрощения процесса проходки скважин сложной траектории, снижения затрат на эту проходку при непрерывности выполнения проходки в едином технологическом цикле.

Указанный технический результат в изобретении достигается за счет того, что в устройстве для проходки скважин, содержащем корпус, размещенную в полости корпуса силовую установку, выполненную в виде генератора рабочего тела, породоразрушающий конический полый рабочий орган, имеющий в своем основании обратный усеченный конус, связанный с корпусом, при этом в стенках рабочего органа установлены рабочие сопла, которые ориентированы своими осями: частью - по нормали к забою, другой частью - под различными острыми углами к поверхности забоя, а частью - в направлении, обратном забою, а часть сопел ориентирована своими осями под углом к диаметральной плоскости рабочего органа, указанный корпус выполнен из нескольких частей, соединенных между собой с помощью упругоподатливых гофрированных элементов, основание породоразрушающего рабочего органа выполнено в виде обратного конуса, связанного с корпусом посредством упругоподатливого гофрированного элемента, и - кольцевого шарнирного узла, а в полости этого рабочего органа закреплена эксцентрично расположенная дебалансная масса, при этом в корпусе, в районе указанного шарнирного узла, установлен затвор, взаимодействующий с рабочим органом, и сопла в стенках рабочего органа установлены с возможностью изменения их проходного сечения и с возможностью изменения направления ориентирования их осей.

При этом в изобретении изменение направления ориентирования осей сопел осуществляют за счет выполнения основания сопла в виде шара, установленного в шаровом гнезде, выполненном в стенке рабочего органа, а изменение проходного сечения сопла осуществляют за счет установки в нем вкладыша из упругоподатливого материала, формирующего собой проходное сечение сопла.

Такое принципиальное конструктивное выполнение изобретения позволяет достичь одновременно несколько новых технических и технологических результатов: во-первых, проходить скважины сложной траектории, как при непрерывной проходке скважины в едином технологическом цикле, так и при выполнении локального изменения траектории проходки скважины из полости ранее пройденной скважины; во-вторых, устройство не требует перенастройки в процессе проходки скважины сложной траектории и не требует использования дополнительных приспособлений и агрегатов для такой работы; в третьих устройство способно одновременно со стабильной проходкой скважины производить расширение ее сечения, а также вести образование локальных полостей. Эти преимущества повышают общую технологическую культуру данного процесса.

При таком выполнении устройства достигаются высокая его производительность и эффективность при проходке скважин различного направления и меняющейся сложной траектории за счет устранения межоперационных циклических остановок для перестройки функций рабочего органа и всего устройства на ту или иную технологическую операцию процесса проходки скважины.

Далее устройство описывается со ссылкой на чертежи где:
на фиг. 1 показан общий вид устройства;
на фиг. 2 - рабочий орган устройства с сечением по оси;
на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2;
на фиг. 4 и 5 - рабочий орган и деталь рабочего органа;
на фиг. 6 - схема варианта работы устройства на забое;
на фиг. 7 и 8 - детали рабочего органа по фиг. 1 - узел А и сечение по Б-Б на фиг. 7 - по оси сопла.

Устройство для проходки скважин сложной траектории содержит корпус 1 и размещенную в нем силовую установку 2; с корпусом соединен породоразрушающий рабочий орган 3, снабженный соплами 4, ориентированными по нормали к поверхности забоя (в данном случае - направленные по нормали на торец забоя). Корпус устройства выполнен из набора модульных блоков типа 1-2, соединенных между собой упругоподатливыми гофрированными элементами 5 (выполненными, например, из ресорной тонколистовой стали). Рабочий орган 3 также с помощью аналогичного упругоподатливого элемента 6 соединен с корпусом 2.

Такое конструктивное выполнение корпуса и рабочего органа позволяет устройству выбирать любой из самых сложных направлений движения при проходке скважин сложной траектории, при оперативно меняющейся траектории скважины (например, при изменении направления проходки из вертикального в горизонтальное и вертикальное - вверх к дневной поверхности: для образования двух скважин - туда и обратно при одной замкнутой непрерывной проходке.

Рабочий орган 3 имеет также сопла 7, ориентированные под различными углами к поверхности забоя и выполненные с возможностью изменения проходного сечения (фиг. 7, 8) за счет установки в сечении сопла вкладыша 8 из упругоподатливого материала, формирующего собой проходное сечение сопла, закрепленного с возможностью изменения его направления ориентирования за счет выполнения тела сопла в виде шара 9 и установки его в шаровом гнезде стенки рабочего органа 3. При этом фиксирование и изменение положения вкладыша 8 в сечении сопла 7 достигается за счет подачи в полость 10 через отверстие 11 рабочей жидкости; а угол ориентирования сопла выбирают за счет фиксирования шаровой опоры 9 сопла в шаровом гнезде при помощи упорного винта 12.

Силовая установка 2 выполнена в виде генератора рабочего тела, преимущественно - парогазовой смеси, при этом в каждой части корпуса размещена такая же силовая установка, а в верхней части корпуса размещено управляющее программированное устройство 13.

Рабочий орган 3 выполнен в виде конического полого органа, в полости которого размещена закрепленная жестко с телом органа, эксцентрично расположенная по отношению к оси органа дебалансная масса 14, выше которой этот рабочий орган имеет кольцевой шарнирный узел 15 (фиг. 4, 5), соединенный с корпусом. Для функционирования массы 14 между шарнирным узлом 15 и телом корпуса установлен приводной винтовой затвор 16, шток которого 17 взаимодействует с щечками 18 при срабатывании в затворе 16 винтового привода.

Рабочий орган 3 выполнен в своем основании (верхней его части по фиг. 1 и 4) в виде обратного (обратно ориентированного по отношению к конусу органа 3) конуса 19, соединенного с конусным рабочим органом и с корпусом посредством упругоподатливого гофрированного элемента 6. Сопла, установленные в теле рабочего органа, как это показано выше, ориентированы своими осями под различными углами к поверхности забоя: часть сопел (4) ориентирована по нормали к забою, другая часть (из сопел 7) ориентирована под различными острыми углами к поверхности забоя; часть сопел (7) ориентирована по нормали по отношению к оси устройства (фиг. 2), при этом сопла 7 в диаметральной плоскости (фиг. 3) ориентированы тангенциально, т.е. по касательной к образующей к конусу рабочего органа 3, что создает вращающий момент "М" рабочему органу, а шарнирный узел 15 не препятствует его вращению при освобожденном винтовом затворе 16 и поднятом вверх (по фиг. 5) его штоке 17.

В стенке обратного конуса 19 выполнены сопла 20, ориентированные в направлении, обратном соплам 4 рабочего органа 3 (фиг. 1, 2). Эти сопла предназначены для выполнения работы по расширению (если это необходимо по условиям процесса, например, когда диаметр, или поперечные габариты, контейнера с топливными компонентами (на чертеже не показан), используемого как добавочные топливные блоки корпуса, превышают эти же параметры корпуса 1) проходимой скважины, а также выполняют работу по созданию тягового усилия для подачи устройства и его рабочего органа к забою проходимой скважины 21 (на фиг. 6 показано поперечное сечение скважины).

Оригинальная конструкция устройства с его эффективными узлами, раскрытыми на фиг. 1 - 5, позволяет проходить скважины любой траектории: по вертикальной прямой, по наклонной прямой, по криволинейной траектории, вплоть до изменения этой траектории из направления вниз - через переходную кривую - в направление вверх - обратно к дневной поверхности (что очень важно, например, при газификации углей, при использовании геометрических источников энергии и т. п.), а наличие упругоподатливых гофрированных элементов 5, 6, шарнирного узла 15 и массы 14 в рабочем органе позволяет при одном и том же рабочем органе (без его смены) производить выработки, значительно превышающие по диаметру - 22 (фиг. 6) диаметр скважины 21 за счет раскрутки моментом "М" рабочего органа сопла 7 (фиг. 2, 3), при котором рабочий орган совершает эксцентричные вращения по траектории 23 и образует выработку 22 значительного диаметра, например, как местное расширение скважины 21 или для образования переходной кривой и изменения траектории прокладки скважины (или выработки).

Работа устройства для проходки скважин сложной траектории, как она уже частично изложена по ходу описания конструкций устройства, осуществляется следующим образом.

Управляющее программированное устройство 13 настраивают на заданную программу проходки скважины, начиная от ее устья (сама скважина по ее профилю на чертеже не показана), например, вертикально до глубины 400 м. Для этого все сопла на рабочем органе ориентируют симметрично его оси по его диаметральным плоскостям, чтобы исключить отклоняющий момент для рабочего органа; истекающими под давлением струями рабочего агента разрабатывают забой и проходят скважину 21. Затем производят расширение сечения этой скважины до сечения 22 (фиг. 6) за счет освобождения затвора 17 (поднятием его вверх) из щечек 18, при этом за счет момента "М" и работы массы 14 задают эксцентричное вращение рабочему органу 3 и производят данное местное расширение скважины. Далее, если это задано в устройство 13, выполняют различные проходные сечения сопел подачей в одни полости 10 одних сопел больше рабочей жидкости (фиг. 8, 7), в другие (меньше), - сечения сопел при этом меняются, и образованием с одной стороны рабочей головки больших сечений сопел, чем сопел, расположенных на противоположной стороне рабочего органа, добиваются создания значительного отклоняющего момента для рабочего органа, который протягивает за собой по кривой изгибающийся за счет элементов 6 и 5 корпус устройства, образуя криволинейную выработку с переводом ее траектории, например, в горизонтальное направление - для ухода в продуктивный пласт и образования значительной площади притока флюидов; или - для изменения направления к дневной поверхности (если это задано программой проходки).

Таким образом, выполнение устройства, как это показано в описании и на чертежах, позволяет оперативно менять направление проходки, создать мобильность процессу перехода из одного направления в другое и повысить технологическую культуру всего бурового процесса.

Источники информации
1. Великий М.И. Техника бурения скважин комбинированными способами, М.: Недра, 1977, с. 50-53.

2. Патент США N 3934659, кл. 175/14, 1976.

Изобретение относится к технике и технологии проходки скважин в геологических структурах путем разрушения пород энергией сжатой рабочей среды. Для проходки наиболее сложных по траектории скважин и выработок устройство содержит корпус и силовую установку, а также породоразрушающий орган, работающий на принципе воздействия на разрушаемую среду рабочим агентом под высоким давлением. Выполнение указанной технологической задачи осуществляется устройством за счет того, что его корпус выполнен из модульных отдельных частей, соединенных между собой упругоподатливыми гофрированными элементами, преимущественно выполненными из стали рессорного класса. Рабочий орган также соединен с корпусом посредством аналогичного элемента и имеет фасонные по конструкции сопла с внутренними вставками, формирующими его проходное сечение, и с шаровыми опорами, позволяющими ориентировать оси сопел в любом направлении. При этом часть сопел ориентирована по нормали к забою, часть - под различными углами к площади забоя, часть - в обратном от забоя направлении, а часть сопел ориентирована осями под углом к диаметральной плоскости рабочего органа. Такое выполнение устройства позволяет оперативно менять его ось и направление проходимой скважины или выработки, что позволяет повысить производительность и эффективность проходки и проходить скважины по сложной траектории, осуществлять проходку сложных по траектории боковых скважин из полостей существующих скважин, прокладку коммуникаций под различными препятствиями: зданиями, водными преградами, насыпями и т.п. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для проходки скважин, содержащее корпус, размещенную в полости корпуса силовую установку, выполненную в виде генератора рабочего тела, породоразрушающий конический полый рабочий орган, имеющий в своем основании обратный усеченный конус, связанный с корпусом, при этом в стенках рабочего органа установлены рабочие сопла, которые ориентированы своими осями: частью - по нормали к забою, другой частью - под различными острыми углами к поверхности забоя, а частью - в направлении, обратном забою, а часть сопел ориентирована своими осями под углом к диаметральной плоскости рабочего органа, отличающееся тем, что корпус устройства выполнен из нескольких частей, соединенных между собой с помощью упругоподатливых гофрированных элементов, породоразрушающий рабочий орган соединен с корпусом посредством упругоподатливого гофрированного элемента, а в полости этого рабочего органа закреплена эксцентрично расположенная дебалансная масса, при этом в основании рабочего органа, выполненном в виде обратного конуса, выполнен кольцевой шарнирный узел, посредством которого рабочий орган соединен с указанным упругоподатливым гофрированным элементом, в районе указанного шарнирного узла установлен затвор, взаимодействующий с рабочим органом, а сопла в стенках рабочего органа установлены с возможностью изменения их проходного сечения и направления ориентирования их осей. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изменение направления ориентирования осей сопел осуществляют за счет выполнения основания сопла в виде шара, установленного в шаровом гнезде, выполненном в стенке рабочего органа, а изменение проходного сечения сопла осуществляют за счет установки в нем вкладыша из упругоподатливого материала, формирующего собой проходное сечение сопла.