УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СКВАЖИНЫ В ГРУНТЕ Российский патент 2016 года по МПК E21B44/02 E21B7/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству для разработки скважины в грунте согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Указанное устройство содержит несущее устройство, мачту, установленную на несущем устройстве, салазки, которые установлены с возможностью перемещения вдоль мачты и на которых расположен буровой привод, предназначенный для приведения во вращение буровой штанги, и привод салазок, предназначенный для перемещения салазок вдоль мачты.

Уровень техники

Разработка скважины в грунте может служить различным целям. Так, например, скважину для установки элемента фундамента в грунте можно заполнить отверждаемым заполняющим материалом. Можно также создать скважину, например, для устройства колодца, для проведения разведочных работ в грунте или в рамках геотермических установок, например, для ввода геотермальных зондов. Возможны также другие области применения.

В зависимости от характера грунта и применяемых буровых инструментов необходимо выбирать различные параметры режимов бурения, в частности скорость вращения и скорость поступательного движения. Так, например, известно, что, если скорость поступательного движения является слишком низкой, следует увеличить скорость вращения бурильных труб и/или усилие прижима.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения заключается в том, чтобы обеспечить устройство для разработки скважины в грунте, которое позволяет особенно экономично разрабатывать скважины.

Эта задача решена согласно изобретению при помощи устройства с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Устройство для разработки скважины в грунте согласно изобретению отличается тем, что предусмотрено управляющее устройство для управления приводом салазок, выполненное с возможностью подачи управляющего сигнала на привод салазок, под действием которого нагрузка буровой штанги на дно буровой скважины может быть установлена равной заданному значению.

Основная идея изобретения состоит в том, чтобы осуществлять управление приводом салазок, а также управление осевым перемещением салазок, исходя из величины нагрузки, создаваемой силой давления буровой штанги на дно буровой скважины. Перемещение салазок вдоль мачты также производится в зависимости от результата измерения нагрузки в процессе бурения.

Заданная величина нагрузки может иметь различные значения, например, в зависимости от характера грунта. В частности, для такого твердого материала грунта, как горные или скальные породы может быть выбрана более высокая нагрузка или сила прижатия, чем в случае мягкого грунта, например почвы.

Заданная величина нагрузки может иметь значение, постоянное или переменное во времени, например, может представлять собой колебание. Настройка определенной величины нагрузки позволяет осуществлять особенно эффективный процесс бурения. При этом можно также уменьшить износ буровых инструментов. Это приводит к увеличению срока службы и, следовательно, к более высокой экономичности.

Предпочтительно предусмотрено устройство ввода для ввода заданной величины нагрузки, осуществляемого, в частности, оператором устройства. Устройство ввода установлено предпочтительно в кабине управления устройства согласно изобретению. Заданная величина может иметь значение, в частности, постоянное или переменное во времени.

Устройство согласно изобретению предпочтительно содержит измерительное устройство или датчик для определения фактической величины нагрузки. В принципе, измерительное устройство или датчик могут быть установлены в зоне бурового инструмента, а также на дне буровой скважины.

Однако предпочтительно предусмотреть датчик, позволяющий определять обратное усилие и/или силу прижатия, с которой буровая штанга отводится от дна буровой скважины или прижимается к дну буровой скважины. Обратное усилие и сила прижатия предпочтительно представляют собой вертикальную силу, под действием которой буровая штанга при помощи бурового привода активно поднимается или прижимается к дну буровой скважины. В частности, это может быть сила, с которой буровой привод или салазки активно перемещаются вверх или прижимаются вниз. Датчик определяет также силу, с которой буровая штанга тянет вниз или прижимает вверх салазки или буровой привод. На основании полученной величины обратного усилия и/или силы прижатия можно определить или рассчитать нагрузку.

Если обратное усилие и/или сила прижатия равна нулю, то нагрузка соответствует силе, создаваемой собственным весом буровой штанги. Путем небольшой разгрузки буровой штанги или прижима буровой штанги к дну буровой скважины нагрузку можно уменьшить или увеличить. Для разгрузки буровой штанги эту буровую штангу приподнимают или отводят назад. Для создания прижима она активно прижимается вниз.

Благодаря дополнительной силе, можно также целенаправленно изменять нагрузку, создаваемую собственным весом. Обратное усилие и/или силу прижатия можно, в частности, при помощи привода салазок прикладывать к самим салазкам буровой передачи. Настройка фактической нагрузки осуществляется также предпочтительно при помощи обратного усилия и/или силы прижатия, прикладываемых к салазкам.

Датчик находится предпочтительно за пределами скважины, в частности в зоне салазок, бурового привода и/или привода салазок. Указанный датчик может представлять собой, в частности, датчик силы или датчик усилия, при помощи которого прямо или косвенно можно определить силу, действующую на буровую штангу и представляющую собой собственный вес салазок, бурового привода и/или привода салазок, и/или силу, дополнительно приложенную к ним.

В качестве датчика можно предусмотреть, например, динамометр или датчик давления. Динамометр, в частности, в случае лебедочного привода для салазок, может быть расположен на неподвижном конце троса. Датчик давления может быть установлен, в частности, на цилиндре цилиндрического привода.

Нагрузка, действующая со стороны бурового инструмента или буровой головки на дно буровой скважины, равна сумме силы тяжести буровой штанги и дополнительной, активно приложенной силе прижатия или обратному усилию. Таким образом, действует выражение:

F_Дно=m_Шт·g+F_Приж-F_Обр

где

F_Дно: нагрузка на дно буровой скважины;

m_Шт: вес буровой штанги;

g: ускорение свободного падения;

F_Приж: - сила прижатия в направлении дна буровой скважины;

F_Обр: - обратное усилие в направлении, противоположном дну буровой скважины.

Нагрузка, прикладываемая буровой штангой к дну буровой скважины, зависит также, в частности, от собственного веса буровой штанги. Поэтому согласно изобретению предпочтительно, чтобы управляющее устройство, учитывая величину обратного усилия, определенную датчиком, обеспечивало определение собственного веса или силы тяжести, действующей на буровую штангу.

Для этого буровая штанга может быть, например, приподнята, чтобы нагрузка на дно буровой скважины была равной нулю. При этом производится измерение требуемого обратного усилия. Обратное усилие равно силе тяжести, из которой можно определить собственный вес.

Предпочтительно предусмотреть запоминающее устройство, которое обеспечивает сохранение полученного значения собственного веса буровой штанги. Поскольку собственный вес буровой штанги в процессе бурения остается постоянным, если буровая штанга не заменяется, необходимо определить величину собственного веса только один раз перед проведением процесса бурения.

Определенную один раз и сохраненную в запоминающем устройстве величину собственного веса можно затем использовать в процессе бурения для определения или расчета фактической нагрузки, действующей на дно скважины.

Особенно предпочтительно, чтобы датчик обеспечивал определение обратного усилия и/или силы прижатия в процессе бурения. Датчик силы обеспечивает также постоянное или многократное измерение обратного усилия и/или силы прижатия в процессе бурения.

Особенно надежное и достоверное определение фактической нагрузки можно обеспечить, если управляющее устройство определяет нагрузку на дно буровой скважины на основе сохраненного в запоминающем устройстве значения собственного веса буровой штанги и прилагаемого в процессе бурения обратного усилия и/или силы прижатия.

Для получения нагрузки, превышающей силу, которую создает собственный вес буровой штанги, предпочтительно, чтобы привод салазок обеспечивал активное прижатие бурильной колонны к дну буровой скважины. Привод салазок выполнен также с возможностью активно перемещать вниз, в частности нажимать на или тянуть салазки, на которых расположена бурильная колонна.

В предпочтительном варианте осуществления привод салазок содержит гидравлический выдвижной цилиндр. Благодаря такому гидравлическому выдвижному цилиндру, салазки можно предпочтительно как приподнимать, так и активно прижимать или тянуть вниз.

В другом предпочтительном варианте осуществления привод салазок содержит тросовый привод с тросовой лебедкой и подъемным тросом. Трос проходит от лебедки предпочтительно над мачтой и присоединяется к салазкам.

Управляющее устройство, предназначенное для управления приводом салазок, предпочтительно выполнено в виде замкнутого контура управления. В качестве заданного значения служит постоянное или изменяющееся во времени значение нагрузки буровой штанги на дно буровой скважины. Фактическое значение нагрузки, рассчитанное при помощи датчика силы, возвращается в виде сигнала обратной связи и вычитается из заданного значения. Рассчитанное таким образом отклонение регулируемого параметра поступает на регулирующее устройство, которое направляет выходной сигнал или регулирующее воздействие на привод салазок.

Управляющее устройство предпочтительно содержит регулятор с пропорциональным интегральным и дифференциальным регулированием. Он может быть рассчитан на выполнение от двух до ста шагов итерации в секунду. Таким образом, можно осуществить точное и быстрое управление. Отклонение регулируемого параметра, которое рассчитывают предпочтительно при помощи определения веса бурильной колонный и изменения результата измерения в результате спуска колонны на дно буровой скважины, подается на регулятор, который вырабатывает электрический управляющий сигнал. Этот сигнал, предпочтительно через клапан пропорционального регулирования, обеспечивает управление лебедкой или цилиндром привода салазок.

Регулируемые параметры предпочтительно настроены на максимальное быстродействие, чтобы предотвратить возникновение колебаний системы. При этом лебедка или цилиндр оттягивает бурильную колонну вверх, если к буровому инструменту приложена слишком большая нагрузка, и отпускает бурильную колонну, если к буровому инструменту приложена слишком маленькая нагрузка. Если бурильная колонна или буровая штанга оказывается слишком легкой для создания необходимого усилия прижима, бурильная колонна активно прижимается вниз.

Гидравлический клапан пропорционального регулирования предпочтительно представляет собой клапан, который предназначен специально для эксплуатации лебедки. Он выполняет функцию удержания нагрузки и компенсации действия сил, вызванных нагрузкой, на управляющий поршень.

Краткое описание чертежей

Ниже приведено более подробное описание изобретения при помощи предпочтительных вариантов осуществления, представленных на прилагаемых схематических чертежах, на которых показаны:

фиг. 1 - общий вид устройства согласно изобретению;

фиг. 2 - устройство согласно изобретению с использованием лебедочного привода в качестве привода салазок;

фиг. 3 - устройство согласно изобретению с использованием цилиндрического привода в качестве привода салазок; и

фиг. 4 - схематическое изображение сил, действующих на буровую штангу.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показано устройство 10 согласно изобретению с несущим устройством 12, представляющим собой, например, автомобиль, на котором установлена мачта 20, предпочтительно с возможностью поворота. На мачте 20, которая может занимать вертикальное положение, установлены салазки 22, которые можно также назвать кареткой и которые могут перемещаться вдоль мачты. Для перемещения салазок 22 вдоль продольной оси мачты 20 предусмотрен привод 40 салазок. Привод 40 салазок может иметь, в принципе, любую конструкцию.

На фиг. 2 показан привод 40 салазок с тросовой лебедкой 46 и подъемным тросом 48. Салазки 22 подвешены на подъемном тросе 48. Подъемный трос 48 проходит от тросовой лебедки 46, установленной на несущем устройстве 12, по роликам 19, расположенным на мачте 20, в частности, на роликовой головке 18 мачты 20, к отклоняющему ролику 23 на салазках 22. От отклоняющего ролика 23 трос 48 проходит к точке крепления на мачте 20 или на роликовой головке 18. Тросовая лебедка 46, управляя длиной размотанного подъемного троса 48, регулирует позицию салазок 22. Благодаря отклоняющему ролику 23, установленному на салазках 22, подъемный трос 48 перемещается по принципу полиспаста.

Другой вариант осуществления привода 40 салазок представлен на фиг. 3. Для перемещения салазок 22 вдоль мачты 20 предусмотрен гидравлический цилиндр 42. Гидравлический цилиндр 42, который может быть, в принципе, выполнен в виде цилиндра одностороннего или двухстороннего действия, убирая или выдвигая свой поршень, управляет позицией салазок 22. В показанном варианте осуществления салазки 22 присоединены двумя тяговыми тросами 44. Перемещение гидравлического цилиндра 42 при помощи троса 44, передаваемое через ролики 26 на мачте 20, управляет позицией салазок 22. Ролики 26 расположены на нижнем конце мачты 20 и на головке мачты 21.

На салазках 22, которые также можно назвать буровой приводной кареткой, находится буровой привод 24, который обеспечивает вращательное движение буровой штанги 30. Буровая штанга 30 может быть жестко соединена в осевом направлении с буровым приводом 24, при этом буровой привод 24, который можно также назвать силовой вращающей головкой, может передавать вертикальную силу на буровую штангу 30. Таким образом, путем подъема или опускания салазок 22, на которых закреплен буровой привод 24, нагрузка буровой штанги 30 на дно буровой скважины увеличивается или уменьшается.

Буровая штанга 30 содержит бурильную колонну 32, которая приводится в движение буровым приводом 24 и на нижнем конце которой находится буровой инструмент 34, который может представлять собой буровое долото и/или буровую коронку.

На фиг. 4 показаны силы, действующие в процессе бурения. Путем подъема или прижатия вниз салазок 22 через бурильную колонну 32 на буровой инструмент 34 передается обратное усилие или сила прижатия и осуществляется управление нагрузкой бурового инструмента 34 на дно 4 буровой скважины 2. Процесс бурения предпочтительно производится с постоянной нагрузкой или с заданным временным изменением нагрузки.

В зоне привода 40 салазок или в зоне подвешивания или присоединения буровой штанги 30 или бурильной колонны 32 к буровому приводу 24 установлен датчик 60 для определения обратного усилия и/или силы прижатия. Датчик 60, который может представлять собой, в частности, датчик силы, можно использовать для того, чтобы определять собственный вес буровой штанги 30, при этом измеряется сила, которая требуется для подъема буровой штанги 30. Результат измерения собственного веса буровой штанги 30 может быть сохранен в запоминающем устройстве 70.

При установке буровой штанги 30 на дно скважины 4 сила, измеряемая датчиком 60, уменьшается. Если эта сила равна нулю, нагрузка на дно скважины 4 соответствует силе, создаваемой собственным весом буровой штанги 30. При помощи приложения к салазкам 22 или к прикрепленному к ним буровому приводу 24 обратного усилия, направленного вверх, можно уменьшить нагрузку. При помощи приложения к салазкам 22 или к прикрепленному к ним буровому приводу 24 силы прижатия, направленной вниз, можно дополнительно увеличить фактическую нагрузку.

Для установления заданного значения нагрузки предусмотрено управляющее устройство 80. Управляющее устройство 80 содержит регулятор, который в качестве входного сигнала получает разность между заданным и фактическим значением нагрузки и генерирует выходной сигнал, который используется для управления приводом 40 салазок. Если результат измерения нагрузки является слишком высоким, к салазкам 22 прикладывается обратное усилие, направленное вверх. Если результат измерения нагрузки является слишком низким, к салазкам 22 прикладывается сила прижатия, которая направлена вниз.

Благодаря управлению процессом бурения при помощи прикладываемой нагрузки, которая используется в качестве параметра управляющего воздействия, можно получить особенно эффективный способ бурения. Измерение нагрузки при помощи датчика 60 за пределами скважины, в частности на салазках 22 или на приводе 40 салазок, обеспечивает достоверность и надежность измерения. Определение собственного веса буровой штанги 30 перед началом процесса бурения путем подъема буровой штанги 30 со дна буровой скважины позволяет производить косвенное определение нагрузки путем измерения активно приложенного к буровой штанге 30 дополнительного обратного усилия или силы прижатия.

Изобретение относится к устройству для разработки скважины в грунте. Техническим результатом является повышение эффективности разработки скважины. Устройство содержит несущее устройство, мачту, установленную на несущем устройстве, салазки, установленные с возможностью перемещения вдоль мачты, на которых расположен буровой привод, предназначенный для приведения буровой штанги во вращательное движение, привод салазок, предназначенный для перемещения салазок вдоль мачты, и управляющее устройство для управления приводом салазок. Причем управляющее устройство выполнено с возможностью определения собственного веса буровой штанги на основании результата измерения обратного усилия, полученного датчиком. При этом предусмотрено запоминающее устройство для сохранения значения собственного веса буровой штанги, управляющее устройство выполнено с возможностью подачи управляющего сигнала на привод салазок, посредством которого нагрузка буровой штанги на дно буровой скважины может быть установлена равной заданному значению, при этом привод салазок выполнен с возможностью активного прижатия буровой штанги к дну буровой скважины, причем установленная нагрузка превышает силу, которую создает собственный вес буровой штанги. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для разработки скважины в грунте, содержащее:
- несущее устройство (12),
- мачту (20), установленную на несущем устройстве (12),
- салазки (22), установленные с возможностью перемещения вдоль мачты (20), на которых расположен буровой привод (24), предназначенный для приведения буровой штанги (30) во вращательное движение,
- привод (40) салазок, предназначенный для перемещения салазок (22) вдоль мачты (20), и
- управляющее устройство (80) для управления приводом салазок,
отличающееся тем, что
управляющее устройство (80) выполнено с возможностью определения собственного веса буровой штанги (30) на основании результата измерения обратного усилия, полученного датчиком (60), при этом
предусмотрено запоминающее устройство (70) для сохранения значения собственного веса буровой штанги (30),
управляющее устройство (80) выполнено с возможностью подачи управляющего сигнала на привод (40) салазок, посредством которого нагрузка буровой штанги (30) на дно буровой скважины может быть установлена равной заданному значению, при этом
привод (40) салазок выполнен с возможностью активного прижатия буровой штанги (30) к дну буровой скважины, причем установленная нагрузка превышает силу, которую создает собственный вес буровой штанги.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что предусмотрено устройство ввода для ввода заданного значения нагрузки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что предусмотрен датчик (60) для определения обратного усилия, с которым буровая штанга (30) отводится от дна буровой скважины, и/или силы прижатия, с которой буровая штанга (30) прижимается к дну буровой скважины.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что датчик (60) выполнен с возможностью определения обратного усилия и/или силы прижатия в процессе бурения.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляющее устройство (80) выполнено с возможностью определения величины нагрузки, действующей на дно буровой скважины, на основании значения собственного веса буровой штанги (30), сохраненного в запоминающем устройстве, и прилагаемого в процессе бурения обратного усилия и/или силы прижатия.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что привод (40) салазок содержит гидравлический цилиндр (42).

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что привод (40) салазок содержит лебедочный привод с тросовой лебедкой (46) и подъемным тросом (48).

8. Устройство по одному из пп. 1-7, отличающееся тем, что управляющее устройство (40) содержит регулятор с пропорциональным интегральным и дифференциальным регулированием, который предпочтительно обеспечивает выполнение от двух до ста шагов итерации в секунду.