ПЛАНЕТАРНЫЙ БУР Российский патент 2001 года по МПК E21B4/02 

Изобретение относится к области буровой техники, в частности к техническим средствам, опускаемым в ствол скважины, с помощью которых бурятся скважины различного назначения диаметром от 590 до 2450 мм.

Известны и получили широкое распространение в России и республиках бывшего СССР планетарные мультитурбинные буры (см. "Основы теории и техники турбинного бурения", Р. А. Иоанесян.- Гостоптехиздат, 1953 г., с. 272-281; Авт. свид. СССР N 122464 "Агрегат для бурения скважин большого диаметра и стволов шахт".- Бюллетень изобретений N 24 за 1962 г.; Справочное пособие по реактивно-турбинному бурению. - Н. П. Жиленко, А.А. Краснощек.- М.: Недра, 1987 г.). С их помощью были решены сложные задачи шахтомостостроения, бурились нефтяные и газовые скважины диаметром 394 и до 590 мм, а также водоосушающие скважины и вентиляционные стволы шахт. Однако более чем сорокалетняя история использования таких буров выявила и их главные недостатки. В первую очередь к ним относятся: деление расхода промывочной жидкости, подаваемой буровыми насосами к мультитурбинному агрегату, между большим количеством двигателей; чрезмерное скольжение вооружения шарошек долот по разрушаемой поверхности забоя ствола скважины.

Деление расхода промывочной жидкости между двумя и тем более тремя и четырьмя турбобурами до минимума сокращает вращающий момент каждого из них. В то же время переносное движение каждого из долот вокруг геометрического центра забоя ствола скважины многократно увеличивает моментоемкость взаимодействия вооружения шарошек с породой забоя, при этом резко интенсифицируется износ зубьев (или штырей) и опор шарошек.

Оба этих недостатка приводят к тому, что бурение мультитурбинными агрегатами осуществляется при очень низких осевых нагрузках, как правило, укладывающихся в диапазон значений от 0 до 2 тонн. Следствием этого факта являются низкие механические скорости углубления забоя и низкие проходки за рейс (долбление).

В качестве ближайшего прототипа мы рассматривает "Устройство для бурения скважин забойным двигателем", выполнявшимся согласно описанию по авт. свид. СССР N 101417 с приоритетом от 10.01.1953 г.

В этом "устройстве..." один турбобур приводил во вращение долото, а колонна бурильных труб (то есть роторный ствол буровой установки), к которой турбобур крепился с помощью эксцентричного переводника, вращала ось долота вокруг геометрического центра забоя скважины. При этом роль децентратора турбобура в стволе скважины выполнял трущийся с ее стенки чехол, надетый на его корпус. Несмотря на очевидную простоту конструкции, нетрудно представить себе положение, когда ось одной из шарошек трех- или многошарошечного долота, спроектированная на плоскость разрушаемой поверхности забоя, занимает положение, перпендикулярное радиусу круговой поверхности забоя. В этот момент роторный стол буровой установки "тащит" шарошку по забою; скольжение ее вооружения по забою достигает максимального значения, что весьма отрицательно сказывается на целостности фрезерованных зубьев или штырей, а сама шарошка стремится "сползти" со своей цапфы - при этом максимальные перегрузки испытывает шаровой ряд замкового подшипника. Именно факт "протаскивания" шарошек долота по забою объясняет очень большой рост удельного вращающего момента на долоте.

Износ децентрового чехла корпуса турбобура приводит к появлению поперечного сноса оси эксцентричного агрегата и появлению вибраций, частота которых пропорциональна частоте вращения бурильной колонны, а амплитуда возрастает по мере износа чехла от трения скольжения по стенке скважины. Единственным достоинством этой схемы является реализация всего расхода промывочной жидкости в одном турбобуре, что позволяет нарастить до возможного максимума его вращающий момент.

Целью нашего изобретения является создание бура, позволяющего многократно сократить удельный вращающий момент, реализуемый на шарошечном долоте, совершающем планетарное движение вокруг геометрического центра ствола скважины большого диаметра.

Наше изобретение позволяет не только исключить поперечные вибрации агрегата, но и многократно сократить удельный вращающий момент на долоте, что впервые в практике использования планетарных буров дает возможность осуществлять бурение при осевых нагрузках на долота, аналогичных тем, что реализуются при роторном и турбинном бурении.

Сущность нашего изобретения заключается в такой монтажной схеме турбобура в траверсах забойного агрегата, при которой приводимое им во вращение долото вырабатывает забой ствола скважины весьма специфической формы - "конусом вверх". В то же время центрация и стабилизация оси агрегата по оси ствола скважины осуществляется с помощью сателлитной шарошки - "бегунка", цапфа которого крепится к специальному сверленному стволу, закрепленному в траверсах агрегата.

Для этого верхняя и нижняя траверсы планетарного бура закрепляются на его центральном валу, который своим верхним резьбовым концом (или с помощью фланцевого соединения) закрепляется на нижней трубе бурильной колонны. Продольная ось турбобура, закрепляемого в верней и нижней траверсах, наклонена к продольной оси центрального вала под углом от 30 минут до 7^o. Для этого отверстие в нижней траверсе, в котором крепится турбобур, радиально смещено к продольной оси центрального вала - по отношению к отверстию в верхней траверсе, которое также служит для крепления турбобура.

Цапфа шарошки сателлита-бегунка, с помощью которого осуществляется стабилизация положения и центрация планетарного бура в стволе бурящейся скважины, крепится к нижней части специального сверленного ствола, который в свою очередь крепится в нижней и верхней траверсах. Турбобур и сверленный ствол соединяются с центральным валом с помощью специальных патрубков.

Изобретение поясняется тремя фигурами.

На фиг. 1 изображен однотурбинный планетарный бур.

На фиг. 2 изображен сателлит-"бегунок", зафиксированный с помощью подшипников на своей цапфе.

На фиг. 3 изображен сателлит-"бегунок" с ассиметричной цапфой.

Изобретение поясняется подробным описанием.

Центральный вал 1 планетарного бура своим верхним резьбовым или фланцевым концом присоединяется к тяжелой - нижней части колонны бурильных труб, вращаемых роторным столом буровой установки. На валу 1 неподвижно закреплены: траверса нижняя 2 и траверса верхняя 3. В траверсе 3 неподвижно закреплен (вварен) соединительный переводник 4, к которому на резьбе или на фланцевом соединении крепится турбобур 5. В траверсе 3 также закреплен (вварен) длинномерный сверленный ствол 6, который также закрепляется в траверсе 2. В своей нижней части (под траверсой 2) ствол 6 имеет резьбовой ниппель (или фланец), к которому крепится цапфа 7 сателлите-бегунка 8. Бегунок 8 фиксируется на цапфе 7 с помощью радиальных подшипников 9 и замкового шарового подшипника 10. Калибрующая ствол скважины нижняя коническая поверхность бегунка армируется штырями твердого сплава. Ось турбобура 5 наклонена к оси центрального вала 1, то есть к оси его резьбы, под углом от 1/2 до 7^o. Для этого центр отверстия в траверсе 2, куда заводится турбобур 5 (для крепления к соединительному переводнику 4), смещается по радиусу в сторону оси центрального вала 1 на необходимую величину относительно центра отверстия в траверсе 3, в которое вварен переводник 4.

Турбобур 5 крепится в траверсе 2 с помощью гайки 11. К валу 12 турбобура 5 крепится долото 13. Форма шарошек долота 13 и их вооружение: фрезерованные зубья или штыри выполняются таким образом, чтобы зубцовые или штыревые венцы одновременно контактировали (опирались) с плоскостью, перпендикулярной оси его присоединительной резьбы (или фланца).

Над верхней траверсой 3 монтируется (вваривается) в центральный вал (полый) 1 и в соединительный переводник 4, а также в сверленный ствол 6 один общий или два патрубка 14, гидравлически соединяющие полость вала 1 с полостью сверленного ствола 6 и с полостью внутри турбобура 5, в которой размещаются его турбина и опорные элементы. С помощью патрубков 14 бурильная колонна гидравлически сообщена с долотом 13 и сателлитом - бегунком 8. В зависимости от мягкости и пластичности разбуриваемых пород закрепление сверленного ствола 6 в траверсах 2 и 3 можно осуществлять так, чтобы его ось была параллельна оси центрального вала 1 - если разбуриваются очень мягкие и пластичные породы, либо составляла бы угол от 30 минут до 7^o по отношению к оси центрального вала 1. Для этого отверстие в нижней траверсе 2, в которое заводится и вваривается сверленный ствол 6, смещается по радиусу в сторону оси центрального вала 1 по отношению к отверстию в верхней траверсе 3, которое также служит для крепления сверленного ствола 6. Наклон следует иметь тем большим, чем более крепкие и абразивные породы предполагается разбуривать.

Для случаев, когда приходится бурить стволы скважин большого диаметра в очень крепких и абразивных породах, таких как галечник, валуны, окремненый песчаник, кварциты, граниты и им подобные, цапфу сателлита-бегунка следует выполнять асимметричной относительно ее присоединительной резьбы (см. фиг. 3). В этом случае сателлит-бегунок закрепляется на сверленом стволе 6 таким образом, чтобы ось 15 подшипниковой части его цапфы 7 пересекалась бы с осью 20 центрального вала 1 в вершине забойного конуса - точке 16, где с ней контактирует периферийное вооружение одной из калибрующих шарошек долота 13. Образующие 17, на которые выводятся головки штырей 18, запрессованные в тело шарошки 19 сателлита-бегунка, также должны пересекаться в точке 16. Такое исполнение бегунка гарантирует его длительную безотказную работу.

Работа планетарного бура.

Планетарный бур, собранный в составе всех своих конструктивных элементов, присоединяется к нижней (первой) тяжелой трубе большого диаметра, после чего начинается его спуск в скважину. Далее бурильная колонна собирается и спускается в ствол скважины так же, как это делается при общепринятом роторном способе бурения. Планетарный бур не доводится до забоя на дистанцию в 9-12 м.

На бурильную колонну наворачивается ведущая труба, включаются в работу буровые насосы; буровой раствор по бурильной колонне начинает подаваться к центральному валу 1 и далее по патрубкам 14 к турбобуру 5 и долоту 13 и в сверленый ствол 6 и к бегунку 8. Бурильную колонну и планетарный бур (через его центральный вал 1) начинают вращать роторным столом буровой установки с частотой 5-45 об/мин и медленно "подают" к забою. Долото 13 вращается валом 12 турбобура 5 с частотой порядка 300-500 об/мин. Коснувшись забоя, долото 13 начинает вырабатывать конусный забой, самой "высокой" точкой которого является точка пересечения 16 оси 20 центрального вала 1 с периферийным вооружением одной из калибрующих шарошек долота 13. При этом вооружение всех шарошек долота 13 только периодически контактирует с забоем скважины по линии, образующей забойный конус. В каждый, отдельно рассматриваемый, момент времени в работе находятся шарошки долота 13, оси которых в проекции на плоскость, перпендикулярно оси 20 центрального вала 1, совпадают с проекцией на ту же плоскость образующей забойного конуса.

Именно это обстоятельство с одной стороны существенно уменьшает скольжение вооружения шарошек по породе забоя, что многократно снижает удельный момент взаимодействия долота с забоем, с другой стороны продляет срок службы вооружения и опор шарошек.

Забойный конус и бегунок 8 стабилизируют в процессе работы планетарного бура - при бурении породы забоя скважины - пространственное положение оси 20 центрального вала 1. Конструктивное исполнение бегунка 8 позволяет подвести часть расхода бурового раствора, поступающего к нему через сверленный ствол 6, почти вплотную к поверхности забойного конуса, что способствует лучшей ее очистке от выбуренного шлама. Это очень важное обстоятельство при бурении стволов большого диаметра. В процессе работы планетарного бура контролируется три основных параметра режима бурения: осевая нагрузка на долото 13, вращающий момент на роторном столе буровой установки и давление нагнетания насосами бурового раствора. Бурение продолжается до тех пор, пока не выйдут из строя опоры части шарошек долота 13. При неизменной осевой нагрузке и производительности буровых насосов момент заклинки шарошек на своих цапфах сопровождается значительным ростом вращающего момента на роторном столе буровой установки и резким изменением давления нагнетания промывочной жидкости.

В этом случае процесс бурения останавливается; бурильную колонну и планетарный бур извлекают из скважины; заменяют изношенное долото 13 на новое; инструмент спускают в ствол скважины и возобновляют процесс бурения.

Изобретение относится к области буровой техники, в частности к техническим средствам для бурения скважин большого диаметра. Сущность изобретения: планетарный бур включает закрепленный в нижней и верхней траверсах турбобур, ось которого смещена относительно оси скважины, при этом турбобур связан с колонной бурильных труб посредством центрального вала, причем продольная ось турбобура наклонена к оси центрального вала под углом от 30 мин до 7^o, а для стабилизации и центрации планетарного бура по оси скважины он снабжен закрепленным в траверсах сверленым стволом, на нижнем конце которого на резьбе крепится шарошечный сателлит-бегунок. Изобретение обеспечивает повышение производительности бурения за счет увеличения осевой нагрузки на долото и снижения вибрации планетарного бура. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Планетарный бур, включающий нижнюю и верхнюю траверсы, закрепленный в вышеупомянутых траверсах турбобур, продольная ось которого смещена относительно резьбового соединения планетарного бура с колонной бурильных труб, закрепленное на валу турбобура долото, отличающийся тем, что планетарный бур выполнен с закрепленным в упомянутых траверсах и связанным с турбобуром посредством патрубка центральным валом, который связан резьбовым соединением с колонной бурильных труб, при этом отверстие для крепления турбобура в нижней траверсе смещено в радиальном направлении к продольной оси центрального вала по отношению к отверстию, в котором турбобур закрепляется в верхней траверсе, а продольная ось турбобура наклонена к оси центрального вала под углом от 30 минут до 7 градусов, причем для стабилизации и центрации планетарного бура по оси ствола скважины он снабжен закрепленным в нижней и верхней траверсах сверленым стволом, связанным с центральным валом с помощью патрубка, при этом на нижнем конце сверленого ствола на резьбе крепится шарошечный сателлит-бегунок. 2. Планетарный бур по п.1, отличающийся тем, что на валу турбобура закреплено долото, все шарошки которого своим вооружением контактируют с плоскостью, перпендикулярной оси его резьбы, с помощью которой оно крепится к валу турбобура. 3. Планетарный бур по п.1, отличающийся тем, что ось подшипниковой части цапфы сателлита-бегунка пересекается с осью центрального вала в точке, где с ней контактирует периферийное вооружение одной из калибрующих шарошек долота, закрепленного навалу турбобура, при этом головки штырей шарошки сателлита-бегунка располагаются по линиям, пересекающимся в той же точке.