СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИБРАЦИИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2015 года по МПК E21B21/00 E21B10/60 

Область техники

Настоящая заявка относится к области техники бурения скважин для добычи нефти и природного газа и, в частности, к способу и системе для повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны.

Предпосылки изобретения

Как хорошо известно, основное преимущество способа повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола путем установки специализированных инструментов заключается в том, что это может повысить скорость бурения за счет струи сверхвысокого давления, помогающей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно без изменения текущей технологии бурения или потребности в дополнительном оборудовании. Инженеры-буровики и изобретатели в области техники пытаются решить проблему, как повысить давление нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола и как осуществить эффективное нагнетание бурового раствора под сверхвысоким давлением. В существующих способах повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола потребляемая мощность обычно поступает из энергии, переносимой самим буровым раствором. Процесс осуществления заключается в том, чтобы специализированными инструментами передать энергию большей части бурового раствора в малую часть бурового раствора. Проблемы, с которыми сталкиваются в процессе осуществления и применения, заключаются в следующем: (а) специализированные инструменты, разработанные в соответствии с этим способом, имеют сложную конструкцию, и поэтому их эксплуатационную долговечность и безопасность обеспечить невозможно; (б) по мере увеличения глубины возрастает потеря давления циркуляции, и снижается энергия гидравлического давления, таким образом, эффект повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола ухудшится; (в) может возникнуть явление взаимодействия вследствие динамического воздействия, вызванного процессом повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола, и собственной вибрации бурильной колонны, влияющее на эксплуатационную долговечность бурового долота и бурильного инструмента; (г) при нормальной работе специализированные инструменты, разработанные в соответствии с этим способом, будут вызывать определенное падение давления, которое будет увеличивать рабочую нагрузку роторной системы и может влиять на нормальное функционирование бурового раствора; (д) поскольку все буровые растворы вовлечены в процесс передачи энергии, при выходе инструмента из строя в скважине циркуляция бурового раствора может блокироваться, осуществлять строительство станет невозможно, и возможно даже более серьезное последствие. Буровое долото, используемое для осуществления нагнетания бурового раствора под сверхвысоким давлением в забое шахтного ствола, изготавливается специфически. Проблемы, с которыми сталкиваются при использовании такого бурового долота, заключаются в следующем: (а) выполнение специализированных каналов для бурового раствора под сверхвысоким давлением в матрицу бурового долота несомненно повысит стоимость бурения и тем самым отразится на широком применении в разных регионах и пластах; (б) при установке возможно, что каналы нельзя соединить одновременно; поскольку нагнетательная труба бурового раствора под сверхвысоким давлением не имеет устройства, несущего давление и несущего натяжение, сообщение по текучей среде между каналами под сверхвысоким давлением может пропасть из-за чрезмерного аксиального усилия или несоосности в процессе сборки и разборки с инструментами для повышения давления нагнетания в забое шахтного ствола; (в) процесс соединения может вызвать повреждение канала сверхвысокого давления и тела бурового долота. В процессе соединения с инструментами для повышения давления нагнетания бурового раствора крутящий момент на канале сверхвысокого давления будет действовать на часть, которая присоединяет тело бурового долота, в результате чего вероятно повреждение этой части. Таким образом, несмотря на усилия и исследования, приложенные и проведенные исследователями, вышеописанный способ повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола, и способ и устройство для осуществления эффективного нагнетания бурового раствора под сверхвысоким давлением не нашли пока широкого распространения в области повышения скорости бурения.

Краткое описание изобретения

Техническая задача

Техническая задача, которую должно решить настоящее изобретение, - создание системы и способа повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола путем использования вибрации бурильной колонны, чтобы ускорить скорость бурения.

Техническое решение

Для того чтобы достичь вышеупомянутой цели в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается система для повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны, содержащая:

скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания и устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя. Скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания содержит канал высокого давления. Устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя, содержит канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления. Канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления содержит канал бурового раствора сверхвысокого давления, шланг высокого давления и жесткую трубку высокого давления. Канал высокого давления соединен с каналом бурового раствора сверхвысокого давления; один конец шланга высокого давления соединен с каналом бурового раствора сверхвысокого давления, а другой конец шланга высокого давления соединен с жесткой трубкой высокого давления; и другой конец жесткой трубки высокого давления соединен с соплом для бурового раствора сверхвысокого давления.

Кроме того, скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания дополнительно содержит: верхний переходник, пружину, верхнее закупоривающее соединение пружины, наружный корпус пружины, нижнее закупоривающее соединение пружины, центральный вал, шлицевую наружную муфту, вал поршня, стопорящую гайку, впускной однопутевой клапан, узел уплотнения, цилиндр нагнетания, направляющую втулку цилиндра нагнетания, наружную муфту цилиндра нагнетания, выпускной однопутевой клапан и нижний переходник; верхний переходник, верхнее закупоривающее соединение пружины, центральный вал, вал поршня и впускной однопутевой клапан объединены в одно целое; центральный вал зацепляется со шлицевой наружной муфтой для передачи крутящего момента и обеспечения перемещения центрального вала вверх и вниз; центральный вал соединен с валом поршня резьбой и заперт стопорящей гайкой; наружный корпус пружины, нижнее закупоривающее соединение пружины, шлицевая наружная муфта, наружная муфта цилиндра нагнетания и нижний переходник объединены в одно целое; пружина расположена в наружном корпусе пружины; цилиндр нагнетания закреплен в направляющей втулке цилиндра нагнетания; направляющая втулка цилиндра нагнетания расположена в наружной муфте цилиндра нагнетания; узел уплотнения расположен со стороны, где цилиндр нагнетания контактирует с валом поршня; выпускной однопутевой клапан, подсоединяющий канал высокого давления, расположен с другой стороны цилиндра нагнетания.

Кроме того, устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя, содержит: канал передачи обычного бурового раствора, который представляет собой канал сообщения, образованный проточным отверстием направляющего проточного устройства, кольцевым пространством между каналом бурового раствора сверхвысокого давления и внутренним отверстием переходника, проточным отверстием централизатора разделения и кольцевым пространством между каналом бурового раствора сверхвысокого давления и полостью в теле бурового долота.

Кроме того, в теле бурового долота расположен канал бурового раствора, открытый в сопло; жесткая трубка высокого давления расположена в одном из каналов бурового раствора; жесткая трубка высокого давления на своей наружной стороне оснащена упорным заплечиком жесткой трубки и затем установлена с соплом для бурового раствора сверхвысокого давления; наружный конец тела бурового долота соединяется с муфтой соединительного замка переходника; направляющее проточное устройство расположено во внутреннем отверстии ниппельного конца переходника, который зацепляется с ограничивающей гайкой с малым отверстием и ограничивающей гайкой с большим отверстием для несения аксиального натяжения и давления, создаваемого узлом уплотнения и действующего на канал бурового раствора сверхвысокого давления, когда скважинное устройство уменьшения вибрации и нагнетания соединяется и разъединяется с системой; в шестигранное внутреннее отверстие направляющего проточного устройства собран шестигранник. Между шестигранником и каналом бурового раствора сверхвысокого давления имеется зазор.

Кроме того, на канале бурового раствора сверхвысокого давления установлена ограничивающая гайка с малым отверстием, нижняя поверхность которой контактирует с верхней поверхностью направляющего проточного устройства для несения аксиального давления, создаваемого узлом уплотнения, действующего на канал бурового раствора сверхвысокого давления, когда скважинное устройство нагнетания соединяется с системой.

Кроме того, на канале бурового раствора сверхвысокого давления установлена ограничивающая гайка с большим отверстием, верхняя поверхность которой контактирует с нижней поверхностью направляющего проточного устройства для несения аксиального натяжения, создаваемого узлом уплотнения, действующего на канал бурового раствора сверхвысокого давления, когда скважинное устройство нагнетания разъединяется с системой.

Кроме того, на соединении переходника и тела бурового долота расположен централизатор разделения, предназначенный для осуществления центрирования канала бурового раствора сверхвысокого давления и протекания бурового раствора под обычным давлением.

Кроме того, на теле бурового долота на резьбе установлено сопло для бурового раствора сверхвысокого давления, предназначенное для осуществления нагнетания бурового раствора под сверхвысоким давлением; между внутренней поверхностью сопла для бурового раствора сверхвысокого давления и наружной поверхностью жесткой трубки высокого давления установлено уплотнительное кольцо, предназначенное для достижения уплотнения.

Кроме того, тело бурового долота может быть шарошечным долотом или долотом PDC различных типов.

В другом аспекте предлагается способ повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны, включающий:

Процесс осуществления заключается в повышении давления нагнетания бурового раствора способом повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола за счет использования вибрации бурильной колонны, и в осуществлении эффективного нагнетания путем использования системы каналов бурового долота сверхвысокого давления для скважинного нагнетателя, и в разрушении горной породы непосредственно или вспомогательно, чтобы ускорить скорость бурения. Способ повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола за счет использования вибрации бурильной колонны является основой способа повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны. Способ включает: принятый источник энергии - это энергия, создаваемая колебанием давления на буровое долото в теле бурового долота; буровой раствор поступает в полость в скважинном устройстве уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания; после шунтирования шунтирующим механизмом большая часть бурового раствора нагнетается через сопло обычного давления; остальная малая часть бурового раствора поступает в устройство преобразования энергии через впускной однопутевой клапан в скважинном устройстве уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания; после получения источника энергии и высокой энергии, поступающей за счет уменьшения амплитуды колебания давления на буровое долото, буровой раствор выпускается через выпускной однопутевой клапан, подключенный к каналу сверхвысокого давления, и, наконец, нагнетается соплом для бурового раствора сверхвысокого давления для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно.

Кроме того, устройство преобразования энергии содержит: полость преобразования энергии, рычаг передачи давления на буровое долото, пружины, тело бурильной колонны и полость смазывающего вещества; повышение давления нагнетания бурового раствора осуществляется в полости преобразования энергии; когда давление на буровое долото на тело бурового долота повышается, рычаг передачи давления на буровое долото сжимает пружину и буровой раствор в полости преобразования энергии; повышение давления бурового раствора в полости преобразования энергии вызывает закрытие впускного однопутевого клапана и открытие выпускного однопутевого клапана; буровой раствор, поглощающий энергию источника энергии, выпускается через выпускной однопутевой клапан и выбрасывается через сопло для бурового раствора сверхвысокого давления для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно.

Кроме того, пружина выдерживает давление рычага передачи давления на буровое долото, создавая силу сжатия и запасая энергию; при этом смазывающее вещество на пружине выдавливается в полость смазочного вещества; когда давление на буровое долото на тело бурильной колонны снижается, гибкий элемент, выдерживающий давление рычага передачи давления на буровое долото и создающий упругую потенциальную энергию, растягивается и высвобождает энергию для снижения давления в полости преобразования энергии; впускной однопутевой клапан устройства преобразования энергии открывается, а выпускной однопутевой клапан устройства преобразования энергии закрывается; буровой раствор протекает в полость преобразования энергии, при этом смазочное вещество в полости смазочного вещества протекает обратно к упругому элементу для смазывания и охлаждения упругого элемента.

Кроме того, два потока бурового раствора, шунтированные шунтирующей конструкцией, протекают в забой шахтного ствола по двум отдельным каналам, не мешая друг другу; когда устройство преобразования энергии отключено, буровой раствор может непосредственно поступать в сопло обычного давления посредством шунтирующего механизма нагнетаться соплом обычного давления.

Преимущественный эффект

Предлагаются система и способ повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны. Конструкция системы устойчива и надежна. Суть способа заключается в том, что в качестве источника мощности в способе повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола используют колебание давления на буровое долото в забое шахтного ствола при бурении, и давление нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола повышают, используя энергию, полученную от снижения колебания давления на буровое долото. При этом снижается неблагоприятное влияние колебания давления на буровое долото на методику бурения, что обеспечивает безопасность конструкции и повышает давление нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола.

Краткое описание графического материала

Фиг. 1 представляет собой схематический вид конструкции предлагаемой системы для повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны.

Фиг. 2 представляет собой разрез фиг. 1 по линии A-A.

Фиг. 3 представляет собой разрез фиг. 1 по линии В-В.

Фиг. 4 представляет собой разрез фиг. 1 по линии С-С.

Фиг. 5 представляет собой разрез фиг. 1 по линии D-D.

Фиг. 6 представляет собой разрез фиг. 1 по линии E-E.

Фиг. 7 представляет собой конструктивный схематический вид скважинного устройства уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания в предлагаемой системе для повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны.

Фиг. 8 представляет собой схематический вид устройства бурового долота сверхвысокого давления, используемого для скважинного нагнетателя в предлагаемой системе для повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны.

Фиг. 9 представляет собой разрез фиг. 8 по линии D-D.

Фиг. 10 представляет собой разрез фиг. 8 по линии Е-Е.

Фиг. 11 представляет собой схематический вид блок-схемы предлагаемого способа повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола путем использования колебания давления на буровое долото.

Описание вариантов осуществления

Ниже со ссылками на прилагаемый графический материал подробно описываются конкретные варианты настоящего изобретения. Эти варианты осуществления представлены в настоящем документе лишь с целью описания, а не ограничения объема настоящего изобретения.

Как показано на фиг. 1-6, система для повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны, в частности, содержит: скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания и устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя. Скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания содержит канал 16 высокого давления. Устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя, содержит канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления. Канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления содержит канал 25 бурового раствора сверхвысокого давления, шланг 28 высокого давления и жесткую трубку 30 высокого давления. Канал 16 высокого давления соединен с каналом 25 бурового раствора сверхвысокого давления; один конец шланга 28 высокого давления соединен с каналом бурового раствора сверхвысокого давления; другой конец шланга 28 высокого давления соединен с жесткой трубкой высокого давления; а другой конец жесткой трубки высокого давления соединен с соплом 31 для бурового раствора сверхвысокого давления.

Как показано на фиг. 7, скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания содержит также: верхний переходник 1, верхнее закупоривающее соединение 2 пружины, наружный корпус 3 пружины, пружину 4, нижнее закупоривающее соединение 5 пружины, центральный вал 6, шлицевую наружную муфту 7, вал поршня 8, стопорящую гайку 9, впускной однопутевой клапан 10, узел 11 уплотнения, цилиндр 12 нагнетания, направляющий цилиндр 13 цилиндра нагнетания, наружную муфту 14 цилиндра нагнетания, выпускной однопутевой клапан 15, нижний переходник 17; верхний переходник 1, верхнее закупоривающее соединение 2 пружины, центральный вал 6, вал 8 поршня и впускной однопутевой клапан 10 соединены в одно целое; центральный вал 6 зацепляется со шлицевой наружной муфтой 7 для передачи крутящего момента и обеспечения перемещения центрального вала 6 вверх и вниз; центральный вал 6 соединен с валом 8 поршня резьбой и заперт стопорящей гайкой 9; наружный корпус 3 пружины, нижнее закупоривающее соединение 5 пружины, шлицевая наружная муфта 7, наружная муфта 14 цилиндра нагнетания и нижний переходник 17 соединены в одно целое; пружина 4 расположена в наружном корпусе 3 пружины; цилиндр 12 нагнетания закреплен в направляющей втулке 13 цилиндра нагнетания; направляющая втулка 13 цилиндра нагнетания расположена в наружной муфте 14 цилиндра нагнетания; узел 11 уплотнения расположен с одной стороны, где цилиндр 12 нагнетания контактирует с валом 8 поршня; выпускной однопутевой клапан 15, подсоединяющий канал 16 высокого давления, расположен с другой стороны цилиндра 12 нагнетания.

Верхняя часть устройства - это система уменьшения вибрации, а нижняя часть - это система нагнетания бурового раствора. Устройство может присоединяться как одно целое между бурильной колонной и буровым долотом для разрушения горной породы. При бурении бурильная колонна приводит верхний переходник 1, верхнее закупоривающее соединение 2 пружины, центральный вал 6 и вал 8 поршня в совместное движение вверх-вниз из-за продольной вибрации бурильной колонны; при этом пружина 4 в наружном корпусе 3 пружины за счет сжатия и расширения обеспечивает, что наружный корпус пружины, цилиндр 12 нагнетания и т.д. не будут перемещаться вверх-вниз вместе с бурильной колонной. Когда бурильная колонна перемещается вверх, она приводит центральный вал 6 и вал 8 поршня в движение вверх относительно цилиндра 12 нагнетания, и при этом в цилиндре 12 нагнетания создается отрицательное давление, и буровой раствор, таким образом, всасывается в него. Когда бурильная колонна перемещается вниз, она приводит центральный вал 6 и вал 8 поршня в движение вниз, и при этом буровой раствор в цилиндре 12 нагнетания сжимается, и его давление повышается. Буровой раствор под давлением входит в канал бурового раствора сверхвысокого давления через выпускной однопутевой клапан 15. Канал бурового раствора сверхвысокого давления соединен со шлангом сверхвысокого давления в устройстве бурового долота сверхвысокого давления, используемом для скважинного нагнетателя, чтобы создать струю высокого давления в помощь в разбивке горной породы в забое шахтного ствола.

Как показано на фиг. 8-10, устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя, содержит канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления и канал передачи обычного бурового раствора. Канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления образован путем соединения как одно целое канала 25 бурового раствора сверхвысокого давления, шланга 28 высокого давления, жесткой трубки 30 высокого давления и сопла 31 для бурового раствора сверхвысокого давления. Обычный канал передачи бурового раствора представляет собой канал сообщения, образованный проточным отверстием направляющего проточного устройства 23, кольцевым пространством между каналом 25 бурового раствора сверхвысокого давления и внутренним отверстием переходника 24, проточным отверстием централизатора 26 разделения и кольцевым пространством между каналом 25 бурового раствора сверхвысокого давления и полостью в теле 27 бурового долота.

Принцип работы настоящего изобретения заключается в следующем. Канал 25 бурового раствора сверхвысокого давления, шланг 28 высокого давления, жесткая трубка 30 высокого давления и сопло 31 для бурового раствора сверхвысокого давления посредством соединения собраны в одно целое, используемое для передачи бурового раствора под сверхвысоким давлением, создаваемым скважинным устройством уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания, в забой шахтного ствола и нагнетания этого бурового раствора под сверхвысоким давлением, и, следовательно, для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно. Канал сообщения, образованный проточным отверстием направляющего проточного устройства 23, кольцевым пространством между каналом 25 бурового раствора сверхвысокого давления и внутренним отверстием переходника 24, проточным отверстием централизатора 26 разделения и кольцевым пространством между каналом 25 бурового раствора сверхвысокого давления и полостью в теле 27 бурового долота, используется для передачи обычного бурового раствора. Буровой раствор под обычным давлением, достигающий тела 27 бурового долота, нагнетается через обычное сопло на тело бурового долота для выполнения нормальной функции бурового раствора.

Отверстие канала бурового раствора в сопло расположено в вышеупомянутом теле 27 бурового долота. Жесткая трубка 30 высокого давления расположена в одном из каналов бурового раствора. Жесткая трубка 30 высокого давления на своей наружной стороне оснащена упорным заплечиком 29 жесткой трубки и затем установлена с соплом 31 для бурового раствора сверхвысокого давления; наружный конец тела 27 бурового долота соединяется с муфтой соединительного замка переходника 24; направляющее проточное устройство расположено во внутреннем отверстии ниппельного конца переходника 24, который зацепляется с ограничивающей гайкой 19 с малым отверстием и ограничивающей гайкой 22 с большим отверстием для несения аксиального натяжения и давления, создаваемого узлом уплотнения и действующего на канал 25 бурового раствора сверхвысокого давления, когда скважинное устройство уменьшения вибрации и нагнетания соединяется и разъединяется с системой; в шестигранное внутреннее отверстие направляющего проточного устройства 23 собран шестигранник 21; между шестигранником 21 и каналом 25 бурового раствора сверхвысокого давления имеется зазор.

Направляющее проточное устройство 23 установлено во внутреннем отверстии ниппельного конца переходника 24 посредством левой резьбы, зацепляющейся с ограничивающей гайкой 19 с малым отверстием и ограничивающей гайкой 22 с большим отверстием для несения аксиального натяжения и давления, создаваемого узлом уплотнения и действующего на канал 25 бурового раствора сверхвысокого давления, когда скважинное устройство уменьшения вибрации и нагнетания соединяется или разъединяется с системой.

На канале 25 бурового раствора сверхвысокого давления установлена ограничивающая гайка 19 с малым отверстием, нижняя поверхность которой контактирует с верхней поверхностью направляющего проточного устройства 23 для несения аксиального давления, создаваемого узлом уплотнения, действующего на канал 25 бурового раствора сверхвысокого давления, когда скважинное устройство нагнетания соединяется с устройством.

На канале 25 бурового раствора сверхвысокого давления установлена ограничивающая гайка 22 с большим отверстием, верхняя поверхность которой контактирует с нижней поверхностью направляющего проточного устройства 23 для несения аксиального давления, создаваемого узлом уплотнения, действующего на канал 25 бурового раствора сверхвысокого давления, когда скважинное устройство нагнетания разъединяется с устройством.

В пространство между шестигранным внутренним отверстием направляющего проточного устройства 23 и каналом 25 бурового раствора сверхвысокого давления установлен шестигранник 21 для несения окружного крутящего момента, создаваемого узлом уплотнения, действующего на канал 25 бурового раствора сверхвысокого давления, когда скважинное устройство нагнетания соединяется и разъединяется с системой.

В верхней части направляющего проточного устройства 23 установлен ограничивающий упорный заплечик 20, предназначенный для фиксации направляющего проточного устройства 23 так, чтобы позволить ему нести крутящий момент без вращения.

Между шестигранником 21 и шестигранным внутренним отверстием направляющего проточного устройства 23, а также между шестигранником 21 и шестигранной частью канала 25 бурового раствора сверхвысокого давления соответственно имеются пространства по 0,5 мм. Этим обеспечивается пространство для центрирования скважинного устройства нагнетания и оси канала бурового раствора сверхвысокого давления системы.

На соединении переходника 24 и тела 27 бурового долота расположен централизатор 26 разделения, предназначенный для осуществления центрирования канала 25 бурового раствора сверхвысокого давления и протекания бурового раствора под обычным давлением.

На шейке жесткой трубки 30 высокого давления установлен упорный заплечик 29 жесткой трубки, предназначенный для закрепления жесткой трубки 30 высокого давления.

На теле 27 бурового долота на резьбе установлено сопло 31 для бурового раствора сверхвысокого давления, предназначенное для осуществления нагнетания бурового раствора под сверхвысоким давлением. Между внутренней поверхностью сопла 31 для бурового раствора сверхвысокого давления и наружной поверхностью жесткой трубки 30 высокого давления установлено уплотнительное кольцо, предназначенное для достижения уплотнения.

Направляющее проточное устройство 23 и проточное отверстие централизатора 26 разделения не ограничиваются конструкциями, проиллюстрированными на чертежах, например, они могут быть круглыми отверстиями и т.д.

Кроме того, тело 27 бурового долота для построения предлагаемой системы может быть шарошечным долотом или долотом PDC и т.д., размеры и формы не ограничиваются проиллюстрированными на фигурах.

Способ построения устройства бурового долота сверхвысокого давления, используемого для скважинного нагнетателя, включает следующие стадии:

1) стадию, на которой соединяют канал 25 бурового раствора сверхвысокого давления, шланг 28 высокого давления и жесткую трубку 30 высокого давления в одно целое; ограничивающую гайку 22 с большим отверстием располагают на канале 25 бурового раствора сверхвысокого давления;

2) стадию, на которой жесткую трубку 30 высокого давления узла на стадии 1 помещают в канал бурового раствора тела 27 бурового долота; располагают упорный заплечик 29 жесткой трубки на жесткой трубке 30 высокого давления, а затем устанавливают сопло 31 для бурового раствора сверхвысокого давления;

3) стадию, на которой устанавливают направляющее проточное устройство 23 на ниппельном конце переходника 24, и устанавливают ограничивающий упорный заплечик 3 для предотвращения перемещения направляющего проточного устройства 23.

4) стадию, на которой туго закрепляют централизатор 26 разделения на канале 25 бурового раствора сверхвысокого давления и устанавливают переходник 24; обеспечивают прохождение верхней части канала 25 бурового раствора сверхвысокого давления через отверстие в направляющем проточном устройстве 23 при монтаже;

5) стадию, на которой в пространстве между шестигранным внутренним отверстием направляющего проточного устройства 23 и каналом 25 бурового раствора сверхвысокого давления устанавливают шестигранник 21;

6) стадию, на которой на канал 25 бурового раствора сверхвысокого давления навинчивают ограничивающую гайку 19 с маленьким отверстием.

С другой стороны, предлагается способ повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны, включающий:

способ повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола за счет использования вибрации бурильной колонны и способ построения системы каналов устройства бурового долота сверхвысокого давления, используемого для скважинного нагнетателя. Способ повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола за счет использования вибрации бурильной колонны содержит: принятый источник энергии - это энергия, создаваемая колебанием давления на буровое долото в теле бурового долота; буровой раствор поступает в полость в скважинном устройстве уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания после шунтирования шунтирующим механизмом, большая часть бурового раствора нагнетается через сопло обычного давления, в этом устройстве шунтирующий механизм представляет собой нижнее шунтовое отверстие центрального вала; остальная малая часть бурового раствора поступает в устройство преобразования энергии через впускной однопутевой клапан в скважинном устройстве уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания; после получения источника энергии и высокой энергии, поступающей за счет уменьшения амплитуды колебания давления на буровое долото, буровой раствор выпускается через выпускной однопутевой клапан, соединяющий канал высокого давления и, наконец, нагнетается соплом для бурового раствора сверхвысокого давления для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно. Устройство преобразования энергии состоит из узла уплотнения, цилиндра нагнетания и направляющей втулки цилиндра нагнетания. Устройство преобразования энергии содержит: полость преобразования энергии, рычаг передачи давления на буровое долото, пружины, тело бурильной колонны и полость смазывающего вещества; полость преобразования энергии состоит из узла уплотнения, цилиндра нагнетания и направляющей втулки цилиндра нагнетания; рычаг передачи давления на буровое долото состоит из верхнего переходника, верхнего закупоривающего соединения пружины, центрального вала, вала поршня, стопорящей гайки и впускного однопутевого клапана; полость смазывающего вещества состоит из нижнего закупоривающего соединения пружины, наружного корпуса пружины, нижнего закупоривающего соединения пружины и центрального вала.

Повышение давления нагнетания бурового раствора осуществляется в полости преобразования энергии; когда давление на буровое долото на тело бурового долота повышается, рычаг передачи давления на буровое долото сжимает пружину и буровой раствор в полости преобразования энергии; повышение давления бурового раствора в полости преобразования энергии вызывает закрытие впускного однопутевого клапана и открытие выпускного однопутевого клапана; буровой раствор, поглощающий энергию источника энергии, выпускается через выпускной однопутевой клапан и выбрасывается через сопло для бурового раствора сверхвысокого давления для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно. Пружина выдерживает давление рычага передачи давления на буровое долото и создает силу сжатия и запасает энергию; при этом смазывающее вещество на пружине выдавливается в полость смазочного вещества; когда давление на буровое долото на тело бурильной колонны снижается, гибкий элемент, выдерживающий давление рычага передачи давления на буровое долото и создающий упругую потенциальную энергию, растягивается и высвобождает энергию для снижения давления в полости преобразования энергии; открытия впускного однопутевого клапана устройства преобразования энергии и закрытия выпускного однопутевого клапана устройства преобразования энергии; буровой раствор протекает в полость преобразования энергии, при этом смазочное вещество в полости смазочного вещества протекает обратно к упругому элементу для смазывания и охлаждения упругого элемента. Два потока бурового раствора, шунтированные шунтирующей конструкцией, протекают в забой шахтного ствола по двум отдельным каналам, не мешая друг другу; когда устройство преобразования энергии отключено, буровой раствор может поступать в сопло обычного давления посредством шунтирующего механизма и нагнетаться соплом обычного давления. Следовательно, нормальная буровая конструкция будет функционировать нормально, и риск операции бурения не возрастет.

Как показано на фиг. 11, конкретные процессы реализации вышеупомянутого способа выглядят следующим образом: в приемной емкости 32 для бурового раствора буровой раствор приводится в действие насосом 33 бурового раствора и затем поступает в полость 34 бурильной колонны. После шунтирования шунтирующим механизмом 35 большая часть бурового раствора нагнетается через сопло 36 обычного давления для действия в качестве обычного бурового раствора. Циркуляции этой части бурового раствора не мешает процесс повышения давления нагнетания остальной части бурового раствора. Остальная малая часть бурового раствора поступает в устройство преобразования энергии через впускной однопутевой клапан 37, после получения источника энергии (энергия, обретенная за счет уменьшения амплитуды колебания давления на буровое долото, достигает давления 80-100 МПа или выше) буровой раствор выпускается через выпускной однопутевой клапан 38 и, наконец, нагнетается соплом для бурового раствора сверхвысокого давления для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно. Повышение давления нагнетания бурового раствора осуществляется в полости 39 преобразования энергии; когда давление на буровое долото на тело бурового долота 42 повышается, рычаг 40 передачи давления на буровое долото сжимает буровой раствор в полости преобразования энергии и гибком элементе 41; повышение давления бурового раствора в полости 39 преобразования энергии вызывает закрытие впускного однопутевого клапана 37 и открытие выпускного однопутевого клапана 38. Буровой раствор, поглощающий энергию источника энергии, выпускается через выпускной однопутевой клапан 38 и выбрасывается через сопло для бурового раствора сверхвысокого давления для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно. Пружина выдерживает давление рычага передачи давления на буровое долото и создает сжатие и запасает энергию; при этом смазывающее вещество на пружине выдавливается в полость смазочного вещества; когда давление на буровое долото на тело бурильной колонны снижается, пружина, выдерживающая давление рычага передачи давления на буровое долото и создающая упругую потенциальную энергию, растягивается и высвобождает энергию для снижения давления в полости преобразования энергии, открытия впускного однопутевого клапана и закрытия выпускного однопутевого клапана; буровой раствор протекает в полость 39 преобразования энергии, при этом смазочное вещество в полости 43 смазочного вещества протекает обратно к упругому элементу для смазывания и охлаждения упругого элемента.

Способ повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола за счет использования вибрации бурильной колонны является принципиально новым. Соответствующая конструкция устройства проста, а система устойчива и надежна. Способ построения системы каналов для бурового раствора сверхвысокого давления, используемой для скважинного нагнетателя, легко осуществим, и экономит рабочее время. Можно изготовить различные устройства бурового долота сверхвысокого давления. На месте событий скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания, разработанное по способу повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола за счет использования вибрации бурильной колонны, зацепляется с буровым долотом, изготовленным способом построения с использованием системы каналов бурового долота сверхвысокого давления для повышения скорости бурения. Скорость бурения для глубоко залегающих твердых горных пород повышается в 1-5 раз по сравнению с обычным способом бурения. Резкое колебание давления на буровое долото, наблюдаемое на буровой площадке, значительно ослаблено. Практика доказала, что способ и система повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны повышает скорость бурения и эффективно уменьшает вибрацию бурильной колонны в забое шахтного ствола.

Промышленная применимость

Предлагаются система и способ повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны, включающие систему и способ повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола за счет вибрации бурильной колонны, и систему и способ, осуществляющие нагнетание бурового раствора сверхвысокого давления в забое шахтного ствола. Предлагаются также способ и система повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола за счет использования колебания давления на буровое долото. Эта система устойчива и надежна. Источником энергии в этом способе повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола является колебание давления на буровое долото в забое шахтного ствола при бурении. Энергия, получаемая за счет уменьшения амплитуды колебания, используется для повышения давления нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола. При этом снижается неблагоприятное влияние колебания давления на буровое долото на методику бурения, что обеспечивает безопасность конструкции и повышает давление нагнетания бурового раствора в забое шахтного ствола. Система и способ осуществления нагнетания бурового раствора под сверхвысоким давлением в забое шахтного ствола, а именно: устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя, и способ построения канала бурового долота под сверхвысоким давлением, используемого для скважинного нагнетателя, требуют лишь построения другого узла в системе за исключением тела бурового долота в соответствии со способом построения системы, и, следовательно, осуществления преобразования обычного бурового долота на двухканальное буровое долото сверхвысокого давления. Это способствует широкому распространению скважинного устройства нагнетания.

Группа изобретений относится к системе и способу повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны. Технический результат заключается в повышении скорости бурения, устойчивости и надежности системы, в снижении неблагоприятного влияния колебания давления на буровое долото, в обеспечении безопасности конструкции, в повышении давления нагнетания бурового раствора. Система для повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны содержит: скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания и устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя. Указанное скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания содержит канал высокого давления. Указанное устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя, содержит канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления; указанный канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления содержит канал бурового раствора сверхвысокого давления, шланг высокого давления и жесткую трубку высокого давления; указанный канал высокого давления соединен с каналом бурового раствора сверхвысокого давления; один конец указанного шланга высокого давления соединен с каналом бурового раствора сверхвысокого давления, а другой конец указанного шланга высокого давления соединен с жесткой трубкой высокого давления; а другой конец указанной жесткой трубки высокого давления соединен с соплом для бурового раствора сверхвысокого давления. Способ повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны включает: принятый источник энергии, являющийся энергией, создаваемой колебанием давления на буровое долото в теле бурового долота; буровой раствор, подаваемый в полость в скважинном устройстве уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания, после шунтирования шунтирующим механизмом, при этом большую часть бурового раствора подают через сопло обычного давления; остальную малую часть бурового раствора подают в устройство преобразования энергии через впускной однопутевой клапан в скважинном устройстве уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания; после получения источника энергии и высокой энергии, поступающей за счет уменьшения амплитуды колебания давления на буровое долото, малую часть бурового раствора выпускают через выпускной однопутевой клапан, соединяющий канал высокого давления, и, наконец, нагнетают соплом для бурового раствора сверхвысокого давления для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно. Устройство преобразования энергии образовано узлом уплотнения, цилиндром нагнетания и направляющей втулкой цилиндра нагнетания. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Система для повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны, отличающаяся тем, что содержит: скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания и устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя; причем указанное скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания содержит канал высокого давления; указанное устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя, содержит канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления; указанный канал передачи бурового раствора сверхвысокого давления содержит канал бурового раствора сверхвысокого давления, шланг высокого давления и жесткую трубку высокого давления; указанный канал высокого давления соединен с каналом бурового раствора сверхвысокого давления; один конец указанного шланга высокого давления соединен с каналом бурового раствора сверхвысокого давления, а другой конец указанного шланга высокого давления соединен с жесткой трубкой высокого давления; а другой конец указанной жесткой трубки высокого давления соединен с соплом для бурового раствора сверхвысокого давления.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что скважинное устройство уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания дополнительно содержит: верхний переходник, пружину, верхнее закупоривающее соединение пружины, наружный корпус пружины, нижнее закупоривающее соединение пружины, центральный вал, шлицевую наружную муфту, вал поршня, стопорящую гайку, впускной однопутевой клапан, узел уплотнения, цилиндр нагнетания, направляющую втулку цилиндра нагнетания, наружную муфту цилиндра нагнетания, выпускной однопутевой клапан и нижний переходник; причем верхний переходник, верхнее закупоривающее соединение пружины, центральный вал, вал поршня и впускной односторонний клапан объединены в одно целое; центральный вал соединен со шлицевой наружной муфтой для передачи момента и предоставления центральному валу возможности двигаться вверх и вниз; центральный вал соединен с валом поршня резьбой и заперт стопорящей гайкой; наружный корпус пружины, нижнее закупоривающее соединение пружины, шлицевая наружная муфта, наружная муфта цилиндра нагнетания и нижний переходник объединены в одно целое; пружина расположена в наружном корпусе пружины; цилиндр нагнетания закреплен в направляющей втулке цилиндра нагнетания; направляющая втулка цилиндра нагнетания расположена в наружной муфте цилиндра нагнетания; узел уплотнения расположен с одной стороны, где цилиндр нагнетания контактирует с валом поршня; выпускной однопутевой клапан, подсоединяющий канал высокого давления, расположен с другой стороны цилиндра нагнетания.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что указанное устройство бурового долота сверхвысокого давления, используемое для скважинного нагнетателя, содержит дополнительно канал передачи обычного бурового раствора, который представляет собой канал сообщения, образованный проточным отверстием направляющего проточного устройства, кольцевым пространством между каналом бурового раствора сверхвысокого давления и внутренним отверстием переходника, проточным отверстием централизатора разделения и кольцевым пространством между каналом бурового раствора сверхвысокого давления и полостью в теле бурового долота.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что в теле бурового долота расположен канал бурового раствора, открытый в сопло, при этом жесткая трубка высокого давления расположена в одном из каналов бурового раствора, причем жесткая трубка высокого давления на своей наружной стороне оснащена упорным заплечиком жесткой трубки и затем установлена с соплом для бурового раствора сверхвысокого давления; наружный конец указанного тела бурового долота соединен с муфтой соединительного замка переходника; направляющее проточное устройство расположено во внутреннем отверстии ниппельного конца переходника, который зацеплен с ограничивающей гайкой с малым отверстием и ограничивающей гайкой с большим отверстием для несения аксиального натяжения и давления, создаваемого узлом уплотнения и действующего на канал бурового раствора сверхвысокого давления, при соединении и разъединении скважинного устройства уменьшения вибрации и нагнетания с системой; в шестигранном внутреннем отверстии направляющего проточного устройства собран шестигранник; между шестигранником и каналом бурового раствора сверхвысокого давления имеется зазор.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что на канале бурового раствора сверхвысокого давления установлена ограничивающая гайка с малым отверстием, нижняя поверхность которой контактирует с верхней поверхностью направляющего проточного устройства для несения аксиального давления, создаваемого узлом уплотнения, действующего на канал бурового раствора сверхвысокого давления, при соединении скважинного устройства нагнетания с системой.

6. Система по п. 4, отличающаяся тем, что на канале бурового раствора сверхвысокого давления установлена ограничивающая гайка с большим отверстием, верхняя поверхность которой контактирует с нижней поверхностью направляющего проточного устройства для несения аксиального натяжения, создаваемого узлом уплотнения, действующего на канал бурового раствора сверхвысокого давления, при разъединении скважинного устройства нагнетания с системой.

7. Система по п. 4, отличающаяся тем, что на соединении переходника и тела бурового долота расположен централизатор разделения, предназначенный для осуществления центрирования канала бурового раствора сверхвысокого давления и протекания бурового раствора под обычным давлением.

8. Система по п. 3, отличающаяся тем, что на теле бурового долота на резьбе установлено сопло для бурового раствора сверхвысокого давления, предназначенное для осуществления нагнетания бурового раствора под сверхвысоким давлением; при этом между внутренней поверхностью сопла для бурового раствора сверхвысокого давления и наружной поверхностью жесткой трубки высокого давления установлено уплотнительное кольцо, предназначенное для достижения уплотнения.

9. Система по п. 3, отличающаяся тем, что тело бурового долота может быть шарошечным долотом или долотом PDC различных типов.

10. Способ повышения скорости бурения за счет использования вибрации бурильной колонны, отличающийся тем, что включает: принятый источник энергии, являющийся энергией, создаваемой колебанием давления на буровое долото в теле бурового долота; буровой раствор, подаваемый в полость в скважинном устройстве уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания, после шунтирования шунтирующим механизмом, при этом большую часть бурового раствора подают через сопло обычного давления; остальную малую часть бурового раствора подают в устройство преобразования энергии через впускной однопутевой клапан в скважинном устройстве уменьшения вибрации бурильной колонны и нагнетания; после получения источника энергии и высокой энергии, поступающей за счет уменьшения амплитуды колебания давления на буровое долото, малую часть бурового раствора выпускают через выпускной однопутевой клапан, соединяющий канал высокого давления, и, наконец, нагнетают соплом для бурового раствора сверхвысокого давления для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно; при этом устройство преобразования энергии образовано узлом уплотнения, цилиндром нагнетания и направляющей втулкой цилиндра нагнетания; указанный канал высокого давления соединен с каналом бурового раствора сверхвысокого давления; указанный канал бурового раствора сверхвысокого давления соединен с одним концом шланга высокого давления; другой конец указанного шланга высокого давления соединен с жесткой трубкой высокого давления; а другой конец указанной жесткой трубки высокого давления соединен с соплом для бурового раствора сверхвысокого давления.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что устройство преобразования энергии включает: полость преобразования энергии, рычаг передачи давления на буровое долото, пружины, тело бурильной колонны и полость смазывающего вещества; причем полость преобразования энергии образована узлом уплотнения, цилиндром нагнетания и направляющей втулкой цилиндра нагнетания; рычаг передачи давления на буровое долото состоит из верхнего переходника, верхнего закупоривающего соединения пружины, центрального вала, вала поршня, стопорящей гайки и впускного однопутевого клапана; полость смазочного вещества образована верхним закупоривающим соединением пружины, наружным корпусом пружины, нижним закупоривающим соединением пружины и центральным валом; повышение давления нагнетания бурового раствора осуществляют в теле полости преобразования энергии; при этом путем повышения давления на буровое долото, на тело бурового долота, посредством рычага передачи давления на буровое долото приводят к сжатию бурового раствора и пружины в теле полости преобразования энергии; посредством повышения давления бурового раствора в теле полости преобразования энергии вызывают закрытие впускного однопутевого клапана и открытие выпускного однопутевого клапана; буровой раствор, получающий энергию источника питания, выпускают через выпускной однопутевой клапан и выбрасывают через сопло для бурового раствора сверхвысокого давления для создания струи сверхвысокого давления, способствующей разрушению горной породы непосредственно или вспомогательно.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что посредством пружины выдерживают давление рычага передачи давления на буровое долото и создают сжатие, и запасают энергию, при этом смазывающее вещество на пружине выдавливают в полость смазочного вещества; при этом путем снижения давления на буровое долото, на тело бурильной колонны, приводят к растяжению гибкого элемента, выдерживающего давление рычага передачи давления на буровое долото и создающего упругую потенциальную энергию, и к высвобождению энергии для снижения давления в полости преобразования энергии, открытия впускного однопутевого клапана устройства преобразования энергии и закрытия выпускного однопутевого клапана устройства преобразования энергии; буровой раствор подают в полость преобразования энергии, при этом смазочное вещество в полости смазочного вещества направляют обратно к упругому элементу для смазывания и охлаждения упругого элемента.

13. Способ по п. 10, отличающийся тем, что два потока бурового раствора, шунтированные шунтирующей конструкцией, подают в забой шахтного ствола по двум отдельным каналам соответственно, не смешивая друг с другом; когда устройство преобразования энергии отключено, буровой раствор может быть непосредственно направлен в сопло обычного давления посредством шунтирующего механизма и его нагнетание может быть выполнено посредством сопла обычного давления.