ХВОСТОВОЙ АДАПТЕР С ТРЕЩИНОСТОЙКИМ ПРОМЫВОЧНЫМ ОТВЕРСТИЕМ Российский патент 2018 года по МПК E21B17/03 E21B21/00 

Область техники изобретения

Изобретение относится к хвостовому адаптеру для бурения по твердым породам для образования части устройства для бурения по твердым породам и, в частности, хотя не исключительно, к хвостовому адаптеру, имеющему промывочное отверстие с профилем формы кромки, выполненным с возможностью минимизации напряжения и концентраций напряжения в зоне отверстия в ответ на сжимающую и/или растягивающую силу.

Предшествующий уровень техники

Ударно-поворотное бурение является устоявшейся методикой для разрушения горной породы с помощью динамического воздействия ударов, передаваемых с дробящего долота, установленного на одном конце бурильной колонны, на горную породу на забое ствола скважины. Энергия, требуемая для разрушения горной породы, генерируется поршнем с гидравлическим приводом, который входит в контакт с хвостовым адаптером, установленным на противоположном конце бурильной колонны на бурильном инструменте. Удар поршня по адаптеру создает волну напряжения (или ударную волну), которая проходит через бурильную колонну и в конечном итоге на горную породу на забое скважины.

Хвостовые адаптеры обычно содержат внутренний канал для обеспечения подачи промывочных текучих сред в зону бурильного инструмента. Промывочная текучая среда действует, как охлаждая инструмент, так и удаляя выбуренную породу и мелкодисперсный материал из ствола скважины. Обычно текучую среду вводят в хвостовой адаптер через радиально проходящее отверстие в стенке адаптера, которое погружено в бак текучей среды, уплотненный на наружной поверхности адаптера аксиально с каждой из сторон от отверстия. Примеры хвостовых адаптеров с внутренними промывочными каналами описаны в материалах CA 2247842; GB 2352671; WO 2012/032485, WO 2008/133584 и WO 2004/079152.

Общей проблемой существующих хвостовых адаптеров является подверженность стенок адаптера появлению трещин, возникающих и распространяющихся от промывочного отверстия вследствие отчасти сжимающих и растягивающих напряжений, генерируемых ударным поршнем, и в частности ударной волной, которая передается через адаптер на бурильную колонну и в конечном итоге на бурильный инструмент. В подземных вариантах применения зарождению трещины помогают кавитационные повреждения, которые усугубляют проблему. Выход из строя хвостового адаптера является конкретной проблемой для эксплуатантов, поскольку при этом часто разрушаются резиновые уплотнения на отделяющем текучую среду окружающем адаптер кожухе. Требуются отнимающие время замены при ремонте компонентов, дающие в результате весьма нежелательное время простоя оборудования. Публикация WO 2004/079152 раскрывает промывочное отверстие, предложенное для уменьшения напряжение в зоне отверстия для подавления образования трещин. Вместе с тем, существует необходимость создания хвостового адаптера имеющего промывочное отверстие, которое дополнительно уменьшает или исключает возможность образования трещин в ответ как на сжимающие, так и на растягивающие силы, приложенные и передаваемые через адаптер.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание хвостового адаптера для бурения по твердым породам, имеющего входное отверстие для введения промывочных текучих сред в адаптер, выполненное с возможностью минимизации или исключения возможности образования трещины стенки адаптера через трещину, распространяющуюся от промывочного отверстия. Дополнительно задачей является создание хвостового адаптера, выполненного с возможностью выдерживать растягивающие и сжимающие силы, действующие в зоне промывочного отверстия.

Задачи решаются с помощью конкретной конфигурации формы промывочного отверстия и, в частности, конфигурации формы самой передней и самой задней зоны отверстия по отношению к аксиальной длине адаптера. Конкретно, предложенное промывочное отверстие содержит не криволинейные, прямые части на данных аксиально передней и самой задней части отверстия для значительного уменьшения растягивающих напряжений в данных зонах без увеличения напряжений в других зонах отверстия. Представленная конфигурация поэтому является предпочтительной для значительного увеличения эксплуатационного ресурса адаптера в особенности в окружающих средах, где упомянутый вид выхода из строя создает проблемы. Согласно конкретному варианту реализации, представленное промывочное отверстие содержит профиль формы суперэллипса, в котором аксиально передняя и самая задняя зоны отверстия или щели не содержат дуги, в ином случае представляющей зону, где трещина может начинаться. Криволинейные, закругленные или дугообразные аксиально концевые зоны существующих отверстий адаптера заменены представленными прямыми частями согласно настоящему изобретению. Что важно, концы прямых частей продолжаются в криволинейные части, при этом каждая кривая образована многочисленными радиусами кривизны для обеспечения плавного и постепенного перехода от передней и задней частей в соответствующие боковые части отверстия.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен хвостовой адаптер для бурения по твердым породам, содержащий: удлиненный корпус, имеющий первый конец, устанавливаемый в направлении к поршню, и второй конец, устанавливаемый в направлении к бурильной колонне; причем корпус содержит аксиально проходящий внутренний канал для обеспечения прохода промывочных текучих сред в бурильную колонну через второй конец; промывочного отверстия, проходящего радиально через корпус до внутреннего канала, отверстие, задаваемое на наружной стороне кромкой, имеющей аксиально переднюю зону, установленную ближе ко второму концу, чем аксиально задняя зона, установленная ближе к первому концу; отличающееся тем, что самая передняя и самая задняя зоны кромки содержат прямые части, при этом каждая прямая часть ограничена на каждом конце соответствующей криволинейной частью.

Адаптер дополнительно содержит то, что можно обычно рассматривать, как боковые части, проходящие аксиально между концами соответствующих криволинейных частей, для комплектования кромки для образования замкнутого контура. Предпочтительно, боковые части являются прямыми. Более предпочтительно, боковые части выставлены параллельно продольной оси адаптера. Такая конфигурация является предпочтительной для технологичности изготовления, поскольку промывочное отверстие можно выполнить, применяя обычный сверлильный инструмент, продвигаемый вперед аксиально для создания удлиненной щели.

Предпочтительно, прямые части выставлены перпендикулярно продольной оси адаптера. Данное является предпочтительным для минимизации концентраций напряжения в зоне отверстия вследствие несимметричных изменений в напряжениях вокруг отверстия относительно продольной оси адаптера. То есть настоящее изобретение выполнено с возможностью уменьшить, насколько возможно, риск образования трещины стенки адаптера вследствие разницы в виде напряжений (сжимающего и растягивающего) вокруг отверстия, когда ударная волна передается через адаптер.

Предпочтительно, криволинейные части содержат профиль кривизны, образованный множеством радиусов так, что радиус кривой уменьшается в направлении от каждой прямой части перпендикулярной продольной оси адаптера. Данное является предпочтительным для обеспечения гладкого постепенного перехода от прямых частей к боковым частям для минимизации концентрации напряжения вследствие как сжимающей, так и растягивающей нагрузки с особым упором на уменьшение усталости в ответ на сжимающие силы.

Представленный профиль формы кромки отверстия искривляется постепенно от аксиально самой дальней прямой части для исключения зоны в стенке адаптера, которая может представлять зону для высокой концентрации напряжения вследствие не гладких или с углами частей кромки.

Предпочтительно, профиль формы кромки является удлиненным, так что аксиальная длина отверстия больше ширины отверстия в плоскости, перпендикулярный продольной оси адаптера. Предпочтительно, профиль формы отверстия на кромке является, по существу, прямоугольным, при этом углы прямоугольника являются криволинейными с многочисленными радиусами кривизны. Использование последовательности отличающихся радиусов кривизны для каждой дугообразной зоны кромки отверстия исключает резкие изменения в направлении кромки относительно продольный оси. Предпочтительно, длины каждой передней и задней прямой частей в плоскости, перпендикулярной продольной оси адаптера, являются, по существу, равными. Предпочтительно, профиль формы кромки является симметричным в обеих, аксиальной плоскости и плоскости перпендикулярной продольной оси адаптера. Симметричный профиль формы является предпочтительным как для упрощения изготовления, так и для обеспечения равномерного распределения напряжения вокруг зоны отверстия и по всему адаптеру в целом.

Предпочтительно, профиль формы кромки поддерживается в радиальном направлении через удлиненный корпус от наружной стороны до внутреннего канала. То есть профиль формы отверстия, проходящего через стенку адаптера между наружной поверхностью и внутренним каналом, является постоянным в радиальном направлении. Конкретно, профиль формы внутренней кромки промывочного отверстия соответствует и является, по существу, идентичным профилю формы кромки на наружной стороне адаптера. Характеристика напряжения в зоне отверстия поэтому, в общем, получается постоянной в радиальном направлении при проходе через стенку адаптера и в частности на обеих, наружной и внутренней поверхностях удлиненного корпуса вокруг зоны отверстия.

Возможно определение профиля формы кромки уравнением (x/a)ⁿ+(y/b)ⁿ=1, где x совпадает с продольной осью адаптера. Предпочтительно, а по существу равно b, и n является действительным числом, включающим в себя десятичные числа, где возможно 3<n<5. Возможно, a=r; b=r+dr, где -r<dr<r и предпочтительно dr=0, где r может иметь величину в диапазоне от 0 до W/2, где W ширина отверстия в направлении перпендикулярном продольной оси адаптера. Возможна в конкретных вариантах реализации величина r в диапазоне между 0 и 15 и также возможна между 2 и 13.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено устройство для бурения по твердым породам, содержащее хвостовой адаптер, заявленный в данном документе. Предпочтительно, устройство дополнительно содержит удлиненный поршень, имеющий основную длину и конец передачи энергии для контакта с первым концом адаптера; а также бурильную колонну, образованную из множества соединенных удлиненных бурильных штанг, в которой самая задняя бурильная штанга колонны соединяется со вторым концом адаптера.

Краткое описание чертежей

Конкретная реализация настоящего изобретения описана ниже только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.

На фиг.1 показан внешний вид хвостового адаптера, образующего часть устройства для бурения по твердым породам, содержащего удлиненную бурильную колонну и поршень с гидравлическим приводом, совершающий возвратно-поступательное движение согласно конкретному варианту реализации настоящего изобретения.

На фиг.2 показано продольное сечение адаптера фиг.1.

На фиг.3 показано с увеличением сечение промывочного канала в адаптере фиг. 2.

На фиг.4 показан с увеличением внешний вид промывочного отверстия, выполненного в адаптере фиг.1 согласно конкретному варианту реализации настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Как показано на фиг.1, устройство для бурения по твердым породам содержит удлиненный адаптер 100 передачи энергии, содержащий основной корпус (или трубную часть) 101, имеющую передний конец 103 и задний конец 104 относительно продольный осевой линии 109. Множество параллельных осевой линии удлиненных шлицов 106 выступает радиально наружу от наружной поверхности 102 в задней зоне удлиненного основного корпуса 101 в направлении к заднему концу 104. Шлицы 106 выполнены с возможностью сцепления с соответствующими шлицами вращательного двигателя (не показано) для приведения во вращение адаптера 100 вокруг оси 109 во время операций бурения. Адаптер 100 дополнительно содержит промывочный канал 105, расположенный аксиально между концами 103, 104 и проходящий радиально через основной корпус 101 адаптера от наружной поверхности 102 до внутренней полости или зоны, проходящей аксиально в адаптере 100.

Адаптер 100 выполнен с возможностью соединения с удлиненной бурильной колонной и обеспечения передачи волны напряжения на бурильный инструмент (не показано), расположенный в самой глубокой зоне скважины, для передачи действия ударно-поворотного бурения. В частности, передний конец 103 адаптера может соединяться с задним концом самой задней удлиненной бурильной штанги 107, образующей часть бурильной колонны. Самый задний конец 104 адаптера выполнен с возможностью поддержания контакта с поршнем 108 с гидравлическим приводом, который создает волну напряжения в адаптере 100 и бурильной колонне. Такое устройство дополнительно содержит бак промывочной текучей среды и соответствующие уплотнения, клапаны и насосы (не показано), установленные снаружи вокруг поверхности 102 адаптера так, что промывочное отверстие 105 погружено в бак для обеспечения введения текучей среды в адаптер 100 и последующего аксиального прохода через удлиненные бурильные штанги 107.

Как показано на фиг. 2 и 3, адаптер 100 содержит внутренний удлиненный канал 200, проходящий аксиально от зоны отверстия 105 до самого переднего конца 103. В частности, канал 200 содержит самый задний конец 206 и открытый самый передний конец 207, расположенные сообщающимися текучей средой с внутренним каналом (не показано), проходящим через каждую бурильную штангу 107.

Отверстие 105 образовано наружной кромкой 202, имеющей конфигурацию замкнутого контура, в которой контур содержит прямые зоны и криволинейные зоны. Отверстие 105 проходит радиально через стенку 203 адаптера от наружной поверхности 102 до внутренней поверхности 201, образующей внутренний канал 200. Соответственно, промывочное отверстие 105 дополнительно образовано самой близкой к осевой линии или внутренней кромкой 205, имеющей профиль формы идентичный наружной кромке 202, при этом кромки 202, 205 соединяются радиально проходящей поверхностью 204, выставленной перпендикулярно оси 109, которая образует радиальную стенку отверстия 105 канала. Поверхность 204 является, по существу, прямой и не криволинейной в плоскости, перпендикулярной оси 109, так что профиль формы отверстия 105 является постоянным в радиальном направлении от наружной кромки 202 до внутренней кромки 205. При эксплуатации текучая среда вводится в адаптер 100 через отверстие 105. Текучая среда затем нагнетается под давлением через канал 200 и в самую заднюю бурильную штангу 107 для обеспечения промывки выбуренной породы из зоны вокруг бурильного инструмента (не показано) и охлаждения как бурильных штанг 107, так и породоразрушающего инструмента (при вращении адаптера 100 и штанги 107 вокруг оси 109 во время породоразрушения).

Как показано на фиг.4, промывочное отверстие 105 содержит профиль в общем удлиненный формы, в котором аксиальная длина L больше ширины W в плоскости 406 перпендикулярный оси 109. Отверстие 105 можно рассматривать как содержащее аксиально переднюю зону 400, расположенную ближе к переднему концу 103 адаптера относительно аксиально задней зоны 410, расположенной ближе к заднему концу 104 адаптера. Передняя и задняя зоны 400, 410 образованы соответствующей не криволинейной прямой частью так, что радиально проходящая поверхность стенки 204 в передней и задней зонах 400, 410 является по существу планарной в плоскости, соответствующей плоскости 406, перпендикулярной оси 109. Соответствующие зоны 400, 410 с прямой кромкой ограничены на каждом соответствующем конце 401, 402 криволинейными частями 403, каждая криволинейная часть 403 искривлена по существу на участке 90 как снаружи, так и сзади от передней зоны 400 и снаружи и спереди от задней зоны 410. То есть, каждая криволинейная часть 403 образована между концом 401, 402 прямой части и аксиальным концом 404 боковой части 405. Боковые части 405 являются не криволинейными и выставлены параллельно оси 109 и перпендикулярно передней и задней прямым зонам 400, 410. Аксиальная длина боковых частей 405 больше соответствующей длины прямых зон 400, 410 (между концами 401, 402), при этом отверстие 105 имеет в общем удлиненную конфигурацию, выставленную по оси основной трубной части адаптера 100. Соответственно, поверхность стенки 204 в радиальном направлении от наружной кромки 202 до внутренней кромки 205 на каждой боковой части 405 является, по существу, планарной.

Каждая часть 403 криволинейной кромки содержит профиль формы, образованный множеством отличающихся радиусов кривизны для образования изгибающегося дугой перехода между передними (и задними) концами 401, 402 и концами 404 боковой части. В частности, радиус кривизны на концевых зонах 407, 409 криволинейной части 403 больше соответствующего радиуса кривизны в средней криволинейной зоне 408. Такая конфигурация является предпочтительной для минимизации концентрации напряжения, когда волна напряжения (либо сжатия или растяжения) передается аксиально через стенку 203 адаптера мимо отверстия 105.

Представленное изобретение является предпочтительным для минимизации напряжения и концентраций напряжения в передней и задней зонах 400, 410 в ответ на сжимающую нагрузку вдоль оси 109 и, в частности, результирующую и увеличенную сжимающую силу на криволинейных частях 403, а также растягивающее напряжение в средней зоне прямых зон 400, 410. Представленный профиль формы отверстия выполнен с возможностью распределения напряжений и, в частности, уменьшения нагрузки от напряжений в передней и задней зонах 400, 410 вследствие изменений вида напряжения (сжатия и растяжения) на местах адаптера 100, смежных как с криволинейными частями 403, так и прямыми зонами 400, 410. Согласно одной конкретной реализации профиль формы отверстия 105 на обеих наружной и самой близкой к оси кромках 202, 205 принимает форму суперэллипса, возможно определяемого уравнением xⁿ+yⁿ=rⁿ, где n действительное число, в том числе десятичные числа, с величиной в диапазоне 3<n<5. Значение r находится в диапазоне от 0 до W/2 и, в частности, имеет величину в диапазоне 2 - 13 мм.

С применением вычислительных имитационных моделирований с суперэллиптическим профилем формы на кромках 202, 205, задаваемым приведенным выше уравнением, где r равен 12 мм, обнаружено, что адаптер 100, имеющий конфигурацию с обычной длиной и шириной, демонстрирует значительное уменьшение концентраций напряжения в зоне отверстия 105. В частности, при воздействии на адаптер 100 в зоне отверстия 105 статической сжимающей нагрузки 250 МПа максимальное наблюдавшееся напряжение составляло 325 МПа, в свою очередь, давая коэффициент концентрации напряжения, составляющий 325/250 = 1,3. Данное дает отличие от адаптера, имеющего промывочное отверстие (105), в котором передняя и задняя зоны (соответствующие комбинации прямых зон 400, 410 и криволинейных частей 403) являются полукруглыми (с промежуточными прямыми частями 405). Такая конфигурация дает результат с максимальным напряжением, составляющим 384 МПа и коэффициентом концентрации напряжения, составляющим 384/250 = 1,54. Соответственно, представленная конфигурация обеспечивает 15% уменьшение напряжения, которое является значительным, поскольку адаптер 100 подвержен высокой циклической усталости вследствие быстрого возвратно-поступательного движения с ударами поршня 108. Адаптер, содержащий промывочное отверстие 105 настоящего изобретения, таким образом, обеспечивает улучшение в эксплуатационном ресурсе устройства.

Группа изобретений относится к хвостовому адаптеру для бурения по твердым породам и к устройству для бурения по твердым породам, содержащему указанный адаптер. Технический результат заключается в минимизации или исключении возможности образования трещины стенки адаптера. Хвостовой адаптер содержит удлиненный корпус, имеющий первый конец, устанавливаемый в направлении к поршню, и второй конец, устанавливаемый в направлении к бурильной колонне. Корпус содержит аксиально проходящий внутренний канал для обеспечения прохода промывочной текучей среды в бурильную колонну через второй конец. Адаптер содержит также промывочное отверстие, проходящее радиально через корпус во внутренний канал. Отверстие образовано на наружной стороне кромкой, имеющей аксиально переднюю зону, расположенную ближе ко второму концу, чем аксиально задняя зона, расположенная ближе к первому концу. Самая передняя и самая задняя зоны кромки содержат прямые части, каждая из которых ограничена на каждом конце соответствующей криволинейной частью. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Хвостовой адаптер (100) для бурения по твердым породам, содержащий:

удлиненный корпус (101), имеющий первый конец (104), устанавливаемый в направлении к поршню, и второй конец (103), устанавливаемый в направлении к бурильной колонне,

причем корпус (101) содержит аксиально проходящий внутренний канал (200) для обеспечения прохода промывочной текучей среды в бурильную колонну через второй конец (103);

промывочное отверстие (105), проходящее радиально через корпус (101) во внутренний канал (200), при этом отверстие (105) образовано на наружной стороне (102) кромкой (202), имеющей аксиально переднюю зону (400), расположенную ближе ко второму концу (103), чем аксиально задняя зона (410), расположенная ближе к первому концу (104),

отличающийся тем, что самая передняя и самая задняя зоны (400, 410) кромки (202) содержат прямые части, каждая из которых ограничена на каждом конце (401, 402) соответствующей криволинейной частью (403).

2. Адаптер по п.1, дополнительно содержащий боковые части (405), проходящие аксиально между концами (404) соответствующих криволинейных частей (403) для завершения кромки (202) для образования замкнутого контура.

3. Адаптер по п.2, в котором боковые части (405) являются прямыми.

4. Адаптер по п.3, в котором боковые части (405) выставлены параллельно продольной оси (109) адаптера (100).

5. Адаптер по любому из пп.1-4, в котором криволинейные части (403) содержат профиль кривизны, образованный множеством радиусов так, что радиус кривой уменьшается в направлении от каждой прямой части, перпендикулярной продольной оси (109) адаптера (100).

6. Адаптер по любому из пп.1-4, в котором профиль формы кромки (202) является удлиненным так, что аксиальная длина отверстия (105) больше ширины отверстия (105) в плоскости (406), перпендикулярной продольной оси (109) адаптера (100).

7. Адаптер по любому из пп.1-4, в котором профиль формы отверстия (105) на кромке (202) является, по существу, прямоугольным, при этом углы (403) прямоугольника являются криволинейными, имеющими многочисленные радиусы кривизны.

8. Адаптер по любому из пп.1-4, в котором длины каждой передней и задней зон (400, 410), по существу, равны в плоскости, перпендикулярной продольной оси (109) адаптера (100).

9. Адаптер по любому из пп.1-4, в котором профиль формы кромки (202) является симметричным в обеих аксиальной плоскости и плоскости, перпендикулярной продольной оси (109) адаптера (100).

10. Адаптер по любому из пп.1-4, в котором профиль формы кромки (202) поддерживается в радиальном направлении через удлиненный корпус (101) от наружной стороны (102) до внутреннего канала (200).

11. Устройство для бурения по твердым породам, содержащее хвостовой адаптер (100) по любому из пп.1-10.

12. Устройство по п.11, дополнительно содержащее:

удлиненный поршень (108), имеющий основную длину и конец передачи энергии для контакта с первым концом (104) адаптера (100); и

бурильную колонну, образованную из множества соединенных удлиненных бурильных штанг (107), при этом самая задняя бурильная штанга (107) колонны соединяется со вторым концом (103) адаптера (100).