КОМПОНЕНТ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2018 года по МПК E21B17/02 E21B17/42 

Область техники

Настоящее изобретение относится к ударно-поворотному разведочному бурению и, в частности, к компоненту бурильной колонны для применения в таком бурении.

Предпосылки

Разведочное бурение обычно включает в себя применение бурового долота, установленного на конце бурильной колонны, которое вращается и одновременно подвергается продольным ударам. Верхний конец бурильной колонны соединен с наземным буровым станком, который выполняет вращение и передает удар. Такая методика ударно-поворотного бурения обычно именуется бурением на уступе. Настоящее изобретение может также применятьcя, например, в бурении глубоких скважин, проходке по простиранию и проходке туннелей.

Общее описание бурильных колонн ударно-поворотного бурения, содержащих штанги, дано, например, в патентах U.S. Pat. № 6164392 и U.S. Pat. № 6681875. Данные патенты являются примерами бурильных колонн типа, наиболее часто применяемого в ударно-поворотном бурении. Вместе с тем, штанги данных колонн в общем уменьшают скорость бурения и точность бурения а также увеличивают риск прихвата долота в грунте. Известные штанги подвержены перегреву и, как следствие, выходу из строя резьбы бурильных замков.

Бурильная колонна, содержащая трубы, раскрыта в патенте European Patent Number 126740. Трубы в сравнении штангами имеют трубчатую форму, где толщина стенки является небольшой в сравнении с диаметром трубы. С помощью известного решения улучшают промывочные свойства и увеличивают упругий момент сопротивления сечения, в сравнении с обычными бурильными штангами, что приводит к улучшенной точности бурения. Вместе с тем увеличенный упругий момент сопротивления сечения труб приводит к более высоким напряжениям в бурильных замках. Данное создает трудности в раскреплении бурильных замков. Увеличенный наружный диаметр трубы в сравнении с обычной бурильной штангой уменьшает зазор между бурильной колонной и стенкой скважины, которую бурят, что создает проблемы с транспортировкой выбуренной породы из скважины.

Настоящее изобретение объединяет преимущества штанг и труб в новом компоненте.

Сущность изобретения

Одной задачей настоящего изобретения является создание резьбовой бурильной штанги с улучшенной жесткостью.

Другой задачей настоящего изобретения является создание резьбовой бурильной штанги с улучшенной промывкой.

Согласно аспекту предложен удлиненный бурильный компонент для ударно-поворотного бурения, содержащий охватывающий резьбовой конец, имеющий наружный диаметр D_ot, вставной резьбовой конец, центральную часть между концами, имеющую наружный диаметр D_oc, при этом наружный диаметр охватывающего резьбового конца больше наружного диаметра центральной части; и сквозной промывочный канал, содержащий центральный промывочный канал, имеющий диаметр D_ic, и промывочные каналы резьбы, имеющие диаметр D_it, при этом отношение упругого момента сопротивления сечения резьбового бурильного замка, измеренного, когда охватывающий резьбовой конец соединен с вставным резьбовым концом идентичного компонента, к упругому моменту сопротивления сечения центральной части, S_t/S_c, больше 1,5 и при этом отношение диаметра центрального промывочного канала к наружному диаметру центральной части, D_ic/D_oc имеет величину между 0,45 и 0,95.

Краткое описание чертежей

Признаки и преимущества настоящего изобретения становятся понятными после прочтения следующего подробного описания изобретения в соединении с чертежами, на которых одинаковыми позициями указаны одинаковые элементы и на которых показано следующее.

На фиг. 1 схематично показан вид сбоку бурового станка для ударно-поворотного бурения с верхним ударником существующей техники.

На фиг. 2 схематично показан вид сбоку обычной бурильной колонны существующей техники.

На фиг. 3 схематично показано продольное сечение варианта осуществления изобретения.

На фиг. 4 схематично показано продольное сечение варианта осуществления изобретения.

На фиг. 5 схематично показано продольное сечение варианта осуществления изобретения в соединенном состоянии.

На фиг. 6 показана номограмма, иллюстрирующая соотношения упругих моментов сопротивления сечения и соотношения внутреннего и наружного диаметра изобретения в сравнении с существующей техникой.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показан способ строительства скважины с применением обычного бурового станка 1 для бурения по трассе или по уступам. Бурильная колонна 2, соединенная с буровым долотом, вращается и производит удары в горной породе 3, при этом выполняется бурение скважины 4.

На фиг. 2 показана обычная бурильная колонна 2, применяемая для ударно-поворотного бурения. Бурильная колонна 2 соединяется с и проходит от нижнего переводника 18 ведущей бурильной трубы на буровом станке (не показано), и по меньшей мере одна штанга 10 (но обычно ряд штанг) соединяет нижний переводник ведущей бурильной трубы с буровым долотом. В станке штангового бурения, каждая штанга 10 имеет наружную винтовую резьбу 12 на одном конце и внутреннюю винтовую резьбу 14 на другом конце. Самая верхняя штанга 10’ имеет внутреннюю резьбу 14, свинченную с наружной винтовой резьбой 16 нижнего переводника 18 ведущей бурильной трубы. Остальные штанги 10 последовательно свинчены друг с другом. Наружная резьба самой нижней штанги 10’’ скреплена с внутренней винтовой резьбой бурового долота 19. Нижний переводник 18 ведущей бурильной трубы и штанги 10 имеют соответствующие центральные каналы, проходящие через них и совмещенные друг с другом для подачи промывочной текучей среды (обычно вода и/или воздух), которая выходит через выпуски, выполненные в передней поверхности бурового долота для охлаждения твердосплавных штырей и смывания выбуренной породы. Выбуренная порода вместе с промывочной текучей средой выбрасывается вверх через зазор, образованный между бурильной колонной и стенкой скважины, которую бурят.

На фиг. 3 показан вариант осуществления настоящего изобретения. Удлиненный компонент 20 имеет конец 21 и конец 22. Конец 21 имеет внутреннюю резьбу 23, и конец 22 имеет наружную резьбу 24. Внутренняя резьба 23 и наружная резьба 24 является цилиндрической, содержит винтовые гребни и канавки, а также предпочтительно имеет трапецеидальную или полукруглую геометрию. Наименьший радиус внутренней резьбы 23 и наружной резьбы 24, в сечении вдоль продольной оси удлиненного компонента 20 предпочтительно больше 1,5 мм.

Рядом с концом 21 удлиненный компонент 20 имеет тонкую часть 25 с наружным диаметром, уменьшенным по сравнению с остальным удлиненным компонентом. Рядом с концом 22 удлиненный компонент 20 имеет тонкую часть 26 с наружным диаметром, уменьшенным по сравнению с остальным удлиненным компонентом. Между тонкой частью 25 на конце 21 и тонкой частью 26 на конце 22 имеется центральная часть 27. Наружный диаметр центральной части больше наружного диаметра конца 22 и меньше наружного диаметра конца 21. Центральная часть 27 удлиненного компонента 20 имеет наружный диаметр D_oc. Конец 21 имеет наружный диаметр D_ot.

Имеется сквозной промывочный канал в центре удлиненного компонента 20. Промывочная среда, например вода и/или воздух прокачиваются в данном канале для охлаждения удлиненного компонента и его бурильных замков и для удаления выбуренной породы из пробуренной скважины. Сквозной промывочный канал разделен на несколько частей, центральный промывочный канал 28 с диаметром D_ic и промывочные каналы 29 резьбы, на обоих, конце 21 и конце 22, с диаметром D_it. Между центральным промывочным каналом 28 и обеими промывочными каналами 29 резьбы имеются уступы 30, при этом D_it меньше D_ic. Для получения плавного потока промывочной среды уступы 30 предпочтительно являются плавными, без острых кромок.

Конец 22, наружная резьба 24, тонкая часть 26 и участок центральной части 27 предпочтительно изготавливают из одной заготовки материала для получения вставного компонента 32. Отношение длины вставного компонента 32 к наружному диаметру D_oc, центральной части 27 имеет величину между 3 и 5. Конец 21, внутреннюю резьбу 23, тонкую часть 25 и участок центральной части 27 изготавливают из одной заготовки материала для получения охватывающего компонента 33. Отношение длины охватывающего компонента 33 к наружному диаметру D_oc, центральной части 27 имеет величину между 3 и 5. Средний участок центральной части 27 изготавливают из одной заготовки материала. Вставной компонент 32 и охватывающий компонент 33 можно изготавливать из материала, отличающегося от материала среднего участка центральной части 27. Средний участок центральной части 27 предпочтительно сваривается трением с вставным компонентом 32 и охватывающим компонентом 33.

На фиг. 4 показан вариант осуществления настоящего изобретения. Удлиненный компонент 120 имеет сквозной промывочный канал, по существу, с постоянным диаметром от конца 22 до внутренней резьбы 23. Данное означает, что сквозной промывочный канал является непрерывным и не имеет уступов, и диаметр D_ic центрального промывочного канала 128 по существу равен диаметру D_it промывочных каналов 129 резьбы.

Центральный промывочный канал 128, с диаметром D_ic имеет площадь A_c сечения. Площадь A_e выхода для выбуренной породы, подлежащей смыванию из скважины 4, образована между центральной частью 27 и стенкой 5 скважины 4. Отношение площади A_c центрального промывочного канала 128 к площади A_e выхода предпочтительно имеет величину между 0,04 и 0,26. Данное соотношением между A_{c и} A_e обеспечивает создание достаточного пространства между удлиненным компонентом 120 и стенкой 5 скважины 4 для удаления выбуренной породы из скважины 4.

На фиг. 5 показан вариант осуществления настоящего изобретения в соединенном состоянии. Наружная резьба 24 удлиненного компонент 20 ввинчена во внутреннюю резьбу 23 другого удлиненного компонента 20’, таким образом удлиненный компонент 20 соединен с удлиненным компонентом 20’. Площадь взаимного соединения между удлиненным компонентом 20 и удлиненным компонентом 20’ образует резьбовой бурильный замок 31. В бурильной колонне несколько удлиненных компонентов соединяются данным способом.

Отличием изобретения является отношение момента сопротивления сечения резьбового бурильного замка 31 к упругому моменту сопротивления сечения центральной части 27 в комбинации с отношением между диаметром центрального промывочного канала 28, 128 и наружным диаметром центральной части 27. Упругий момент сопротивления сечения является свойством, которое коррелирует с сопротивлением изгибу сечения перпендикулярного продольной оси удлиненного компонента 20.

Упругий момент сопротивления сечения, S_t резьбового бурильного замка 31 вычисляют, применяя следующую формулу:

Упругий момент сопротивления сечения, S_c центральной части 27 вычисляют, применяя следующую формулу:

Отношение между упругими моментами сопротивления сечения, S_t/S_c составляет для удлиненного компонента больше 1,5, предпочтительно между 1,8 и 5,5 и более предпочтительно между 2,0 и 3,5. Данное отношение для известных бурильных штанг имеет величину между 1,8 и 3,2 и для известных бурильных труб имеет величину между 1,0 и 1.4.

Отношение между диаметром центрального промывочного канала 28, 128 и наружным диаметром центральной части 27, D_ic/D_oc, для удлиненного компонента имеет величину между 0,45 и 0,95, предпочтительно между 0,48 и 0,75 и более предпочтительно между 0,5 и 0,65. Данное отношение для известных бурильных штанг имеет величину между 0,25 и 0,42 и для известных бурильных труб между 0,55 и 0,75.

На фиг. 6 показан график зависимости S_t/S_c от D_ic/D_oc. Известные бурильные штанги расположены на площади A, известные бурильные трубы расположены на площади B и удлиненные компоненты согласно настоящему изобретению расположены на площади C. Отмечается, что площадь C проходит к бесконечности в направлении S_t/S_c.

Использование данной специфической комбинации из S_t/S_c и D_ic/D_oc дает некоторые преимущества бурильной колонне. Большой диаметр центрального промывочного канала 28, 128, по отношению к наружному диаметру центральной части 27, дает хорошие промывочные свойства, что улучшает удаление выбуренной породы и охлаждает резьбы в удлиненном компоненте 20. Охлаждение резьб увеличивает эксплуатационный ресурс резьб и может увеличивать скорость бурения. Пространство между стенкой 5 скважины 4 и наружным диаметром центральной части 27 является достаточно большим для обеспечения достаточной промывки выбуренной породы в скважине 4 в процессе бурения. Высокий упругий момент сопротивления сечения резьбовых бурильных замков по отношению к упругому моменту сопротивления сечения центральной части 27 означает, что бурильная колонна может изгибаться, не обуславливая слишком высоких изгибающих напряжений в резьбе бурильных замков. Данное улучшает эксплуатационный ресурс резьбовых бурильных замков и делает более простым раскрепление резьбы между удлиненными компонентами.

Примеры вариантов осуществления и результаты испытаний

Наземную буровую установку применяли для сравнения обычных, так называемых бурильных штанг T51 с штангами варианта осуществления изобретения. Как обычные штанги T51, так и штанги варианта осуществления изобретения были изготовлены из цементированной стали. Резьбу одного типа и термообработку одного типа применяли для штанг T51 и штанг варианта осуществления изобретения. Падение давления вдоль длины бурильной колонны измеряли способом измерения промывочного кпд. Получены следующие результаты.

D_oc(мм) D_ic(мм) D_ic/D_oc S_t/S_c Падение давления (бар) Обычная штанга T51 52,0 21,5 0,41 2,6 4,2 Вариант осуществления изобретения 56,4 31,0 0,55 2,1 2,3

Очевидно, что падение давления значительно меньше для изобретения в сравнении с обычной штангой.

Эксплуатационный ресурс бурильных колонн сравнивали во время бурения в подземной выработке. Обычные так называемые штанги T45 сравнивали с вариантом осуществления изобретения. Как обычные штанги T45, так и штанги варианта осуществления изобретения были изготовлены из цементированной стали. Резьбу одного типа и термообработку одного типа применяли для штанг T51 и штанг варианта осуществления изобретения. Получены следующие результаты.

D_oc(мм) D_ic(мм) D_ic/D_oc S_t/S_c Эксплуатационный ресурс (метры бурения) Обычная штанга T45 45,8 17,0 0,37 2,6 1800 Вариант осуществления изобретения 48,3 28,3 0,59 2,4 3800

Очевидно, что эксплуатационный ресурс штанги изобретения по меньшей мере на 100 % больше, чем у обычной штанги.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления. Могут применяться отличающиеся альтернативы, модификации и эквиваленты. Упомянутые выше варианты осуществления не следует поэтому не считать ограничивающими объем изобретения, который определен пунктами формулы изобретения.

Изобретение относится к ударно-поворотному разведочному бурению. Технический результат – улучшение жесткости и промывки резьбовой бурильной штанги. Удлиненный бурильный компонент для ударно-поворотного бурения содержит охватывающий резьбовой конец, имеющий наружный диаметр (D_ot), вставной резьбовой конец, центральную часть между концами, имеющую наружный диаметр (D_oc), и при этом наружный диаметр охватывающего резьбового конца больше наружного диаметра центральной части. Сквозной промывочный канал, содержащий центральный промывочный канал, имеющий диаметр (D_ic), и промывочные каналы резьбы, имеющие диаметр (D_it). Отношение упругого момента сопротивления сечения резьбового бурильного замка, измеренного, когда охватывающий резьбовой конец соединен с вставным резьбовым концом идентичного компонента, к упругому моменту сопротивления сечения центральной части, S_t/S_c, больше 1,5 и отношение диаметра центрального промывочного канала к наружному диаметру центральной части, D_ic/D_oc имеет величину между 0,45 и 0,95. 10 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 ил.

1. Удлиненный бурильный компонент (20;120) для ударно-поворотного бурения, содержащий:

охватывающий резьбовой конец (21), имеющий наружный диаметр (D_ot), вставной резьбовой конец (22), центральную часть (27) между концами, имеющую наружный диаметр (D_oc), при этом наружный диаметр охватывающего резьбового конца больше наружного диаметра центральной части; и

сквозной промывочный канал, содержащий центральный промывочный канал (28;128), имеющий диаметр (D_ic) и промывочные каналы (29;129) резьбы, имеющие диаметр (D_it),

отличающийся тем, что отношение упругого момента сопротивления сечения резьбового бурильного замка (31), измеренного, когда охватывающий резьбовой конец соединен с вставным резьбовым концом идентичного компонента, к упругому моменту сопротивления сечения центральной части (27), S_t/S_c, больше 1,5, при этом отношение диаметра центрального промывочного канала к наружному диаметру центральной части D_ic/D_oc имеет величину между 0,45 и 0,95.

2. Удлиненный бурильный компонент по п. 1, в котором отношение S_t/S_c имеет величину между 1,8 и 5,5.

3. Удлиненный бурильный компонент по п. 1 или 2, в котором отношение D_ic/D_oc имеет величину между 0,48 и 0,75.

4. Удлиненный бурильный компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором отношение S_t/S_c имеет величину между 2,0 и 3,5.

5. Удлиненный бурильный компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором отношение D_ic/D_oc имеет величину между 0,5 и 0,65.

6. Удлиненный бурильный компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором поверхность сквозного промывочного канала содержит уступы (30), где D_it меньше D_ic.

7. Удлиненный бурильный компонент по любому из пп. 1-5, в котором поверхность сквозного промывочного канала является по существу непрерывной и не имеет уступов, при этом D_it по существу равен D_ic.

8. Удлиненный бурильный компонент по любому из предшествующих пунктов, в которой соотношение площади A_c сечения центрального промывочного канала (28; 128) и площади A_e сечения выхода, образованного между центральным промывочным каналом и стенкой (5) скважины (4), имеет величину между 0,04 и 0,26.

9. Удлиненный бурильный компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором внутренняя резьба (23) и наружная резьба (24) является цилиндрической резьбой, имеющей трапецидальную или полукруглую геометрию.

10. Удлиненный бурильный компонент по п. 9, в котором наименьший радиус внутренней или наружной резьбы в сечении вдоль продольной оси удлиненного компонента больше 1,5 мм.

11. Удлиненный бурильный компонент по любому из предшествующих пунктов, в которой вставной компонент (32) и охватывающий компонент (33) прикреплены к средней части центральной части сваркой трением.