БУРИЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ПРИ ГОРИЗОНТАЛЬНОМ БУРЕНИИ Российский патент 2006 года по МПК E21B7/28 E21B7/04 

Область изобретения

Данное изобретение относится к бурильному инструменту, используемому при горизонтальном бурении, и, в частности, к бурильному инструменту, имеющему улучшенную стабильность, чтобы уменьшить боковую нагрузку, приложенную к режущим компонентам бурильного инструмента.

Уровень техники

Режущие части или бурильные средства бурильного инструмента предназначены выдерживать силы, которые в основном параллельны продольной оси бурильного инструмента. Однако в случае горизонтального бурения вес инструмента и других частей, присоединенных к инструменту, выражается в нагрузках, которые приложены в направлении, поперечном к продольной оси инструмента. Многие режущие элементы не предназначены выдерживать эту боковую нагрузку, и результатом этого являются неточности в просверливаемом отверстии. Поэтому целью этого изобретения является уменьшение боковых нагрузок, приложенных к режущему элементу в бурильных инструментах, используемых для горизонтального бурения.

Операции горизонтального бурения обычно подразумевают, что скважина, которая проходит вблизи поверхности по дуге, начинается в одном месте, чтобы выйти в другом месте, удаленном от точки входа. Такие технологии горизонтального бурения обычно используются, чтобы создать трубопровод под руслом реки, канала или гавани. Трубопроводы используются для прокладывания коммуникаций, таких как водопровод, канализация или электроснабжение.

Следует иметь в виду, что такое горизонтальное бурение также включает бурение скважин, которые наклонены к горизонтали. Изобретение будет полезно в тех случаях, где угол наклона создает боковые нагрузки, которые прикладываются к режущим инструментам, результатом чего может быть повреждение режущих элементов.

Изобретение, в частности, направлено на создание устройств, используемых для расширения ранее пробуренной скважины посредством расширяющего действия. То есть скважина расширяется от диаметра ранее пробуренной скважины до второго, большего диаметра скважины. Обычной практикой является, когда диаметр по существу горизонтальной скважины постепенно увеличивается при второй и последующих проходках.

Недостатком ранее известных инструментов для горизонтального бурения является то, что бурильные средства или режущие инструменты поддерживают бурильный инструмент во второй, расширенной скважине. Обычно в качестве режущих инструментов используются конические шарошки. Конические шарошки обычно поддерживаются подшипниковым узлом на цапфе или стойке. Окружность конической шарошки обычно слегка поднимается над поверхностью цапфы или стойки, результатом чего является боковая нагрузка, приложенная к окружности конической шарошки.

Опоры подшипников для конической шарошки и вкладыши на конических шарошках не очень подходят для несения этих боковых нагрузок, результатом чего является выход из строя подшипников и вкладышей за относительно короткий период времени. Результатом боковых нагрузок также является бурение скважины некруглой формы. Это нестабильное движение называется "уход" в скважине, где центральная ось бурильного инструмента колеблется, результатом чего является некруглая скважина большого размера. Скорость продвижения бура уменьшается, и режущие инструменты работают неэффективно.

Эти проблемы до сих пор приходилось терпеть и допускать, что в результате боковой нагрузки существующие инструменты имеют несколько уменьшенный ожидаемый срок службы.

Целью изобретения является создание устройства, которое имеет улучшенную эффективность.

Краткое описание изобретения

Можно сказать, что изобретение в его самой широкой форме заключается в бурильном инструменте, используемом при горизонтальном бурении для расширения диаметра ранее пробуренной скважины, причем бурильный инструмент содержит:

корпус,

бурильное средство, расположенное на корпусе и предназначенное для расширения ранее пробуренной скважины до скважины второго, большего диаметра,

направляющий элемент, проходящий вперед от указанного корпуса и располагающийся в указанной ранее пробуренной скважине, чтобы направлять движение бурильного инструмента по ранее пробуренной скважине, и

по меньшей мере, одну стабилизирующую поверхность, расположенную сзади от указанного бурильного средства так, что стабилизирующие поверхности примыкают к стенке указанной второй скважины, уменьшая те действующие на бурильные средства нагрузки, которые являются поперечными к продольной оси бурильного инструмента.

Согласно изобретению в бурильном инструменте используется направляющий элемент, который имеет тот же или слегка меньший диаметр, что и ранее пробуренная скважина. Направляющий элемент поддерживает передний конец бурильного инструмента и обеспечивает продвижение бурильного инструмента по той же траектории, что и ранее пробуренная скважина.

Усовершенствование в этом изобретении состоит в том, чтобы создать, по меньшей мере, одну стабилизирующую поверхность, расположенную сзади от бурильного средства, так что бурильный инструмент поддерживается горизонтально внутри пробуриваемых скважин направляющим элементом и стабилизирующей поверхностью. Боковые нагрузки, приложенные к бурильному средству, уменьшаются благодаря тому, что оно поддерживается между направляющим элементом и стабилизирующей поверхностью, и инструмент удерживается в сущности на центральной линии ранее пробуренной скважины. Это улучшает как эффективность, так и скорость бурения.

Стабилизирующая поверхность может содержать на внешней поверхности ребра, каждое из которых проходит вдоль продольной оси бурильного инструмента и которые расположены по окружности вокруг бурильного инструмента. В альтернативном случае стабилизирующая поверхность может содержать внешнюю поверхность кольца, которое расположено сзади от бурильного средства, или может содержать внешнюю поверхность из приливов, которые расположены по окружности бурильного инструмента и находятся сзади бурильного средства.

Стабилизирующие поверхности могут содержать сочетание продольных ребер, кольца или колец, или приливов, или некоторых из этих элементов.

Кроме того, стабилизирующая поверхность может содержать радиально расположенные ролики, имеющие ось вращения, которая параллельна продольной оси бурильного инструмента.

Поверхность направляющего элемента может быть цилиндрической, чтобы входить в ранее пробуренную скважину, но может также иметь продольные ребра или ролики, расположенные по окружности направляющего элемента. Кроме того, могут быть использованы винтовые продольные ребра на поверхности направляющего элемента или как опорная поверхность позади бурильного средства.

Комбинация направляющего элемента и стабилизирующей поверхности согласно изобретению помогает бурильному инструменту в поддержке нагрузки бурильного инструмента и нагрузки, создаваемой другими компонентами, которые могут быть присоединены к нему. Эти компоненты могут включать средства, используемые для вращения бурильного инструмента, такие как забойный турбинный двигатель, соединители и фитинги между забойным турбинным двигателем и бурильным инструментом и дополнительными стабилизирующими элементами. Обычно существует зазор между внешним диаметром забойного турбинного двигателя и буровой скважиной. Вес двигателя создает во время горизонтального бурения значительную нагрузку, поперечную к оси бурильного инструмента. Буровая штанга, которая подает жидкость под давлением к забойному турбинному двигателю, также может прикладывать значительные боковые нагрузки к бурильному инструменту. Это происходит несмотря на то, что вдоль буровой штанги могут использоваться дополнительные стабилизаторы, расположенные в скважине выше забойного турбинного двигателя.

Дополнительный аспект изобретения включает применение вышеописанного бурильного инструмента для обратного расширения. При обычном бурении отрезки буровой колонны постепенно добавляются по мере продвижения бурильного инструмента по ранее пробуренной скважине. В случае обратного расширения бурильный инструмент протягивается через ранее пробуренную скважину так, что буровая штанга постепенно рассоединяется по мере продвижения бурильного инструмента по ранее пробуренной скважине.

В этом аспекте изобретения конец направляющего элемента бурильного инструмента присоединен к ряду соединенных бурильных труб. Бурильная труба переносит находящуюся под давлением жидкость, которая передается через трубопроводы внутри бурильного инструмента, к забойному турбинному двигателю, который расположен позади бурильного инструмента. Забойный турбинный двигатель используется для вращения бурового инструмента, в то время как к буровой колонне прикладывается усилие натяжения, чтобы тянуть бурильный инструмент вдоль ранее пробуренной скважины.

Этот аспект изобретения имеет преимущество, заключающееся в том, что для достижения бурения буровую колонну размещают под натяжением вместо использования сжимающих сил внутри буровой колонны в случае обычного бурения.

В этом варианте направляющий элемент и стабилизирующая поверхность все еще несут нагрузку на буровую коронку, увеличивая, таким образом, точность бурения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Чтобы изобретение было более понятным, здесь будут описаны предпочтительные варианты. Однако следует иметь в виду, что изобретение не ограничивается точными признаками, описанными в этих вариантах.

Варианты представлены сопровождающими чертежами, на которых:

фиг.1 показывает поперечное сечение работы при горизонтальном бурении,

фиг.2 показывает вид сбоку на бурильный инструмент согласно первому варианту,

фиг.3 показывает аксонометрический вид бурильного инструмента, показанного на фиг.2,

фиг.4 показывает аксонометрический вид бурильного инструмента согласно второму варианту изобретения,

фиг.5 показывает узел, состоящий из бурильного инструмента, забойного турбинного двигателя и спирального стабилизатора, и

фиг.6 показывает узел, состоящий из бурильного инструмента, использующего роликовые стабилизаторы, в сочетании с роликовым стабилизатором.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА

На фиг.1 показан типичный процесс горизонтального бурения под судоходным руслом, при котором получают горизонтальную скважину, в целом показанную как позиция 10. Горизонтальная скважина 10 начинается в одной точке и выходит на поверхность в другой точке. Скважина 10 имеет траекторию в виде дуги, что позволяет ей, как показано на фиг.1, пройти под некоторыми сооружениями, такими как дороги и канал. Как видно из фиг.1, скважина 10 обычно всегда проходит под углом по отношению к горизонтали. Этот угол обычно весьма невелик, результатом чего являются значительные нагрузки, приложенные поперек продольной оси бурильного оборудования, используемого для создания скважины 10.

На фиг.1 также видна буровая установка 11, которая расположена у начала буровой скважины и используется, чтобы прикладывать продольную силу к буровой колонне для продвижения бурильного инструмента вдоль буровой скважины 10 и вращать буровую колонну.

Как показано более подробно в увеличенном виде на фиг.1, существует первая скважина 9 первого диаметра, которая уже пробурена, после чего используется буровая установка 11, чтобы рассверлить отверстие 9 до большего диаметра 8, используя бурильный инструмент 7, управляемый буровой колонной 6 с буровой установки 11.

Фиг.2 показывает вид сбоку, а фиг.3 показывает аксонометрический вид бурильного инструмента 12 в соответствии с этим изобретением. Бурильный инструмент 12 содержит центральный корпус 13, к которому прикреплены бурильные средства. В этом варианте бурильное средство содержит конические шарошки 14. Конические шарошки 14 хорошо известны в промышленности и имеют твердые вставки, расположенные внутри поверхности каждой конической шарошки. Эти твердые вставки используются, чтобы создать сжимающую динамическую нагрузку на поверхность скального грунта, результатом чего является расщепление или раздробление скального грунта. Это нарастающее расщепление или раздробление делают возможным продвижение бурильного инструмента 12.

Бурильный инструмент 12 также содержит направляющий элемент 15, который расположен у переднего конца бурильного инструмента 12. Направляющий элемент 15 располагается внутри ранее пробуренной скважины 16, которую также называют направляющей скважиной. Направляющий элемент 15 используется для поддержки переднего конца бурильного инструмента 12 и также для обеспечения продвижения бурильного инструмента 12 вдоль требуемой траектории.

Ранее пробуренная скважина 16 расширяется коническими шарошками 14 до скважины 17 второго диаметра. Поверхности 18 стабилизатора между коническими шарошками 14 и позади них используются для поддержки бурильного инструмента 12 между ранее пробуренной скважиной 16 и скважиной 17 второго диаметра. Поверхности 18 стабилизатора примыкают к стенке скважины 17 второго диаметра.

В варианте изобретения, показанном на фиг.2, поверхности 18 стабилизатора содержат радиально расположенные ребра 20, где внешняя поверхность каждого ребра 20 содержит поверхность 18 стабилизатора. Кроме того, в задней части бурильного инструмента 12, у концов каждого ребра 20 расположено кольцо 21. Внешняя поверхность кольца содержит поверхность 18 стабилизатора.

Как можно видеть из изобретения, представленного на фиг.2 и 3, любая боковая нагрузка, которая может быть приложена к бурильному инструменту 12, будет поддерживаться направляющим элементом 15 и поверхностями 18 стабилизатора. Это уменьшит боковую нагрузку, которая прикладывается к коническим шарошкам 14, которые расположены между этими двумя элементами.

Направляющий элемент 15 содержит опорные поверхности 23, которые образуются либо на продолжениях 24 ребер 20, либо на дополнительных ребрах 25, которые проходят вдоль направляющего элемента 15.

Бурильный инструмент 12 имеет втулку 26 с резьбовым соединением 27, чтобы можно было присоединять бурильный инструмент 12 к другому бурильному оборудованию, такому как забойный турбинный двигатель или буровая колонна. Бурильный инструмент 12 имеет центральный канал (не показан), который проходит через резьбовое соединение 27, втулку 26, корпус 13 и направляющий элемент 15. Центральный канал открывается к концу направляющего элемента 15, а внутри отверстия канала у конца направляющего элемента 15 имеется муфта с внутренней резьбой. Буровая колонна (не показана) может проходить от этой резьбовой муфты до конца буровой скважины, наиболее удаленного от буровой установки, и дает возможность протягивать бурильный инструмент через пробуренную скважину, чтобы обеспечить обратное расширение скважины.

Наклонные ребра 19 проходят от кольца 21 до втулки 26. Ребра 19 обеспечивают обратное расширение при извлечении бурильного инструмента 12, а также способствуют повторному входу бурильного инструмента 12 в трубчатую обсадную трубу, которая может частично входить в пробуриваемую скважину от ее точки входа. Обычно такая обсадная труба оканчивается в твердом или уплотненном грунте. Повторное вхождение бурильного инструмента в обсадную трубу обычно не является проблемой. Однако, если грунт мягкий или скважина на конце обсадной трубы расширена другим образом, обычный бурильный инструмент может зацепляться и препятствовать его дальнейшему вытаскиванию. Ребра 19 гарантируют, что бурильный инструмент 12 направляется в корпус так, что он не цепляется. Подобные ребра могут быть использованы на других компонентах, таких как стабилизаторы.

На фиг.4 показан второй вариант изобретения. Этот вариант также содержит направляющий элемент 15, корпус 13 и стабилизирующие поверхности 18. Однако в этом варианте стабилизирующие поверхности 18 содержат внешние поверхности продольных ребер 20 и приливов 29, которые присоединены к кольцу 21. Результатом этого является зазор между поверхностями 18 на приливах 29 и поверхностями 18 на ребрах 20. Это содействует извлечению бурильного инструмента 12 и позволяет обломкам при бурении проходить через бурильный инструмент 12, а не накапливаться сзади бурильного инструмента 12, результатом чего может быть зажатие бурильного инструмента в скважине.

На фиг.5 показан узел, состоящий из бурильного инструмента 12 и забойного турбинного двигателя 30. Диаметр забойного турбинного двигателя 30 меньше диаметра второй скважины 17, поэтому он поддерживается бурильным инструментом 12 и спиральным стабилизатором 31, который имеет стабилизирующие поверхности 33 на внешних поверхностях. От стабилизатора 31 выходит из скважины наружу буровая штанга 32.

Забойный турбинный двигатель, который подвешен внутри второй скважины 17, очевидно создает значительную нагрузку на бурильный инструмент 12. Однако к коническим шарошкам 14 прикладывается минимальная боковая нагрузка, что является результатом того, что бурильный инструмент 12 поддерживается направляющим элементом 15 и стабилизирующими поверхностями 18 на бурильном инструменте 12 и стабилизирующими поверхностями на спиральном стабилизаторе 31.

Альтернативное устройство для бурильного инструмента показано на фиг.6. В этом варианте ролики 34 прилегают к направляющему элементу 15. В предпочтительном случае ролики 34 установлены внутри продолжений 24 ребер 20 и дополнительных ребер 25.

Ролики могут быть также установлены в бурильном инструменте 12 так, что они имеют стабилизирующие поверхности 18. В этом случае ролики 34 также устанавливаются внутри ребер 20.

Ролики 34 также устанавливаются в стабилизаторе 31. Стабилизатор 31, показанный на фиг.5 и 6, может быть также снабжен наклонными ребрами 19, которые облегчают вход в обсадную трубу при извлечении инструмента и стабилизатора 31.

В дополнение к продольным ребрам 20 и дополнительным ребрам 25 ребра 24 и 25 могут иметь винтообразную форму для гарантии того, что при вращении бурильного инструмента стабилизирующая поверхность 18 или опорная поверхность 23 всегда находится в контакте либо со второй скважиной 17, либо со скважиной 16. Кроме того, изгиб винтообразных желобков может быть таким, что в сочетании с вращением бурильного инструмента осколки бурения выводятся назад вдоль направляющего элемента 15 и бурильного инструмента 12.

Другой аспект изобретения включает применение бурильного инструмента 12 в узле для обратного расширения скважины. В этом варианте бурильные инструменты, показанные на фиг.2 -4, могут иметь буровую штангу, присоединенную к переднему концу направляющего элемента 15. Забойный турбинный двигатель может быть присоединен к задней части бурильного инструмента 12 с находящейся под давлением буровой жидкостью, протекающей через бурильный инструмент 12 для приведения в действие забойного турбинного двигателя. Затем к буровой штанге может быть приложено усилие натяжения для приложения бурильного усилия к коническим шарошкам 14, в то время как необходимое вращение бурильного инструмента 12 создается забойным турбинным двигателем. В этом варианте бурильная труба работает при растяжении, а не при сжатии, как это имеет место при обычном бурении. Растягивающее усилие не вызывает изгиба буровой штанги, которое происходит при приложении сжимающих сил. Поэтому для извлечения бурильного инструмента 12 со сравнительно большим диаметром могут быть использованы буровые штанги с гораздо меньшим диаметром.

В этом варианте сначала бурится направляющая скважина. До извлечения буровой колонны, когда из скважины выходят первый бурильный инструмент и другие компоненты, их удаляют из буровой колонны для того, чтобы можно было присоединить бурильный инструмент 12 для обратного расширения скважины и забойный турбинный двигатель. Затем используется та же самая буровая колонна для протаскивания бурильного инструмента 12 назад через направляющую скважину с целью создания скважины второго, большего диаметра.

Как можно видеть из приведенного выше описания, изобретение предлагает усовершенствованный бурильный инструмент, который лучше подходит для того, чтобы выдерживать боковые нагрузки, обычно возникающие при операциях горизонтального бурения. Поэтому предполагается, что бурильные инструменты согласно изобретению будут иметь увеличенный срок службы, что значительно улучшит эффективность бурильных работ.

Изобретение относится к бурильному инструменту, используемому при горизонтальном бурении, и, в частности, к бурильному инструменту, имеющему улучшенную стабильность, чтобы уменьшить боковую нагрузку, приложенную к режущим компонентам бурильного инструмента. Техническая задача - создание устройства, которое имеет улучшенную эффективность. Бурильный инструмент, используемый при горизонтальном бурении для расширения диаметра ранее пробуренной скважины и включающий корпус, бурильное средство, содержащее шарошки, установленное на корпусе и предназначенное для расширения ранее пробуренной скважины до скважины второго, большего диаметра; направляющий элемент, проходящий вперед от указанного корпуса и выполненный с возможностью размещения в указанной ранее пробуренной скважине, чтобы направлять движение бурильного инструмента по ранее пробуренной скважине; стабилизирующие поверхности, содержащие ребра, которые проходят вдоль оси пробуренного инструмента и радиально расположены вокруг бурильного инструмента, и расположенные между указанными шарошками, и стабилизирующую поверхность, расположенную позади бурильного средства. Причем указанные стабилизирующие поверхности выполнены с обеспечением примыкания к стенке указанной второй скважины, благодаря чему уменьшаются те действующие на бурильные средства нагрузки, которые являются поперечными к продольной оси бурильного инструмента. 10 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Бурильный инструмент, используемый при горизонтальном бурении для расширения диаметра ранее пробуренной скважины и включающий корпус, бурильное средство, содержащее шарошки, установленное на корпусе и предназначенное для расширения ранее пробуренной скважины до скважины второго, большего диаметра, направляющий элемент, проходящий вперед от указанного корпуса и выполненный с возможностью размещения в указанной ранее пробуренной скважине, чтобы направлять движение бурильного инструмента по ранее пробуренной скважине, стабилизирующие поверхности, содержащие ребра, которые проходят вдоль продольной оси бурильного инструмента и которые радиально расположены вокруг бурильного инструмента, и расположенные между указанными шарошками, и стабилизирующую поверхность, расположенную позади бурильного средства, причем указанные стабилизирующие поверхности выполнены с обеспечением примыкания к стенке указанной второй скважины, благодаря чему уменьшаются те действующие на бурильные средства нагрузки, которые являются поперечными к продольной оси бурильного инструмента.2. Бурильный инструмент по п.1, в котором направляющий элемент имеет тот же или слегка меньший диаметр, что и ранее пробуренная скважина, благодаря чему направляющий элемент поддерживает передний конец бурильного инструмента и обеспечивает продвижение бурильного инструмента по той же траектории, что и ранее пробуренная скважина.3. Бурильный инструмент по п.1, в котором стабилизирующая поверхность, расположенная позади бурильного средства, включает внешнюю поверхность кольца, которое расположено сзади от бурильного средства.4. Бурильный инструмент по п.1, в котором стабилизирующая поверхность, расположенная позади бурильного средства, содержит внешнюю поверхность приливов, которые расположены по окружности вокруг бурильного инструмента и находятся сзади бурильного средства.5. Бурильный инструмент по п.1, в котором стабилизирующая поверхность, расположенная позади бурильного средства, содержит радиально расположенные ролики, имеющие ось вращения, которая параллельна продольной оси бурильного инструмента.6. Бурильный инструмент по п.1, в котором поверхность направляющего элемента имеет цилиндрическую форму, чтобы входить в ранее пробуренную скважину.7. Бурильный инструмент по п.1, в котором направляющий элемент включает продольные ребра или ролики, расположенные по окружности вокруг направляющего элемента.8. Бурильный инструмент по п.1, в котором продольные ребра на стабилизирующей поверхности имеют винтообразную форму.9. Бурильный инструмент по п.7, в котором продольные ребра на направляющем элементе имеют винтообразную форму.10. Бурильный инструмент по п.1, дополнительно содержащий забойный турбинный двигатель между бурильным средством и стабилизирующей поверхностью.11. Бурильный инструмент по п.1, в котором направляющий элемент содержит резьбовой соединитель для бурильной колонны, благодаря чему бурильный инструмент приспособлен для обратного расширения скважины.