Способ вращательного бурения и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК E21B4/06 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к бурению скважин в земной коре, например, к способам бурения, при которых вращается весь бурильный инструмент или его нижняя часть.

Цель изобретения - повышение коэффициента передани мощности на забой скважины и снижение стоимости бурения.

На чертеже показано устройство вращательного бурения.

Устройство вращательного бурения содержит последовательно соединенные бурильные трубы 1, переводник 2, утяжеленные бурильные трубы 3, переводник 4 и вращаемый корпус 5 устройства, в котором сроено корпусу 5 встроен круглого сечения полый вал 6 с размещенным на валу бупругим центратором, имеющим степени свободы вдоль и вокруг оси вала 6, долото 8 с промывочным узлом 9, пластинчатую пружину 10 с левой навивкой для передачи валу

6 вращательного момента от нижней части корпуса 5, осевую опору 11с технологически необходимым люфтом для возможности осевых перемещений вала 6 относительно корпуса 5 с амплитудой 5-15 мм, уплотнение 12, радиальную опору 13 для ограничения амплитуды поперечных вибраций вала 6 относительно корпуса 5, диски 14, закрепленные на верхнем конце вала б болтами 15 (в количестве 4-6 штук) и имеющие отверстия 16 для прокачивания промывочной жидкости без существенных потерь давления в дисках 14 и отверстия 17 для размещения сменной втулки 18, в которую вставляется нижний конец винтовой пружины 19 с правой навивкой, диск 20, закрепленный между выступом на внутренней поверхности корпуса 5 и нижним торцом переводника 4, и имеющий отверстие 21 для размещения в нем верхнего конца пружины 19 и отверстия 22 для прокачивания промыи вочной жидкости, сменную шайбу 23, гидрокамеру 24, высоту которой регулируют количеством дисков 14.

Устройство в процессе углубления скважины работает следующим образом.

Вращательный момент от ротора или забойного двигателя валу 6 и долоту 8 передается через бурильные трубы 1, переводники 2 и 4, УБТ 3, корпус 5 устройства и через пружины 19 и 10. При этом разные направления навивки пружины 19 и 10 позволяют более равномерно передавать вращательный момент от корпуса шпинделя на его вал и избежать развития резонансных крутильных колебаний вала 6 относительно корпуса 5, а упругий центратор 7, взаимодействуя со стенками скважины, ограничивает развитие осевых и поперечных смещений вала 6 и долота 8 и тем самым препятствует развитию осевых резонансных колебаний вала 6, причем ограничение изгибных колебаний вала позволяет долоту чаще, чем при обычном роторном бурении, взаимодействовать с забоем одновременно двумя шарошками. Упругий центратор 7, максимальный наружный диаметр которого на 2-3 мм меньше диаметра долота, свободно вращается на валу 6 вокруг его оси и перемещается на 1-2 мм в осевом направлении. Расчетное осевое усилие от веса бурильных 1 и утяжеленных 3 бурильных труб на вал 6 устройства можно полностью пере; давать через столб промывочной жидкости, обеспечивая в основном статическую осевую нагрузку на долото 8 в связи с малой жидкостью столба жидкости по сравнению с жесткостью бурильной колонны и таким образом увеличивать межремонтный период работы осевой опоры 11. По мере необходимости, расчетную часть осевой нагрузки на долото 8 от веса бурильной колонны можно передавать через осевую опору 11 устройства и через пружину 19, что позволяет обеспечивать более эффективное для достижения требуемых показателей бурения нагружение долота в конкретных условиях бурения. Долото 8 в процессе работы на забое скважины создает осевые перемеще0 ния вала 6 и корпуса 5 друг относительно друга, в результате в потоке промывочной жидкости возникают гидроимпульсы давления, которые, суммируясь в гидрокамере 24, об разуют резул ьтати ру ющее гидроим п ул ьс5 ное давление, преодолеваемое буровым насосом также, как и перепад давления в долоте, в связи с чем формируется необходимая гидравлическая нагрузка, постоянно действующая на вал шпинделя и долото,

0 тогда как нагрузка, обусловленная массой сжатой части бурильной колонны, воздействует периодически на вал шпинделя и долото, что невозможно при способе бурения согласно прототипу.

5Способ осуществляют следующим образом.

До начала бурения скважины обосновывают компоновку бурильной колонны из неутяжеленных (обычных) труб так же, как и

0 при роторном способе бурения. Рассчитывают известными методами рабочую частоту вращения бурильной колонны и максимальную и минимальную величины осевой нагрузки на долото из условия объемного

5 разрушения пород в интервале долбления, затем определяют максимальную величину давления на выкиде буровых насосов (Рмакс) и корректируют (Рмакс) с учетом опытных данных, полученных при применении конк0 ретных типов буровых насосов и стандартных диапазонов цилиндровых втулок насосов, рассчитывают согласно предлагаемым соотношениям технологически-необходимый расход промывочной жидкости,

5 гидравлическую нагрузку на вал устройства, перепад давления в промывочных отверстиях долота, гидрбимпульсное давление в гидрокамере устройства и потока промывочной жидкости внутри бурильной колонны, дина0 мическую нагрузку, действующую на вал устройства и долото, длину утяжеленных бурильных труб, высоту гидрокамеры в устройстве и устанавливают количество дисков 14 согласно расчетной высоте гидрокамеры.

5 Перед пуском бурильного инструмента в скважину к валу устройства присоединяют долото посредством переводника (не показан), а к корпусу 5 устройства также присоединяют УБТ и далее бурильные трубы. Затем опускают бурильный инструмент в

скважину и буровыми насосами подают промывочную жидкость в бурильную колонну с технологически необходимым расходом, создают проектный перепад давления в промывочных узлах долота и формируют соответственно этому перепаду часть гидравлической нагрузки на вал 6 устройства. После этого ротором с частотой пр вращают бурильный инструмент, передают вращательный момент корпусу 5, валу 6 устройст- ва и долоту 8, и одновременно разгружают талевую систему буровой установки и создают осевую нагрузку, достаточную в процессе приработки долота, после окончания которой доводят осевую нагрузку на долото до проектной величины, создают необходимый уровень амплитуды осевых вибраций долота и формируют проектные величины гидроимпульсного давления PR и гидравлической нагрузки (Gr) на вал устройства и долото, уравновешивают усилие Gr частью веса бурильной колонны и создают сжатую часть бурильной колонны весом, равным по величине осевой динамической нагрузке на долото (Сд), в результате чего формируют осевую нагрузку на вал устройства и на долото и обеспечивают равномерное эффективное взаимодействие вооружения долота с забоем скважины и повышенные, по сравнению с роторным способом, показатели бурения.

Применение предлагаемого способа вращательного бурения скважин позволяет повысить коэффициент передачи мощности на забой скважины, увеличить количество поражений забоя вооружением долота, обеспечить более равномерное силовое воздействие на горные породы при каждом акте взаимодействия вооружения долота с забоем скважины при реализации всей ве- личины осевой нагрузки на долото в процессе такого единичного взаимодействия, в результате механическая скорость проходки кратно увеличивается,

В связи с передачей осевой нагрузки на долото через столб промывочной жидкости и через винтовые пружины и в связи со снижением амплитуды поперечных колебаний и биений долота стойкость опоры долота сохраняется на уровне стойкости, характерной для роторного способа бурения, или повышается. Поэтому проходка на долото увеличивается пропорционально росту механической скорости проходки.

Кроме того, экономия затрат получается за счет сокращения длины УБТи времени на спуск-подъем УБТ, а также за счет возможности более широкого применения легкосплавных бурильных труб и соответственно снижения металлоемкости буровых установок и уменьшения расходов на транспортировку бурильных труб.

Формула изобретения 1. Способ вращательного бурения скважин, включающий передачу долоту момента вращения через бурильную колонну, подачу промывочной жидкости в бурильную колонну, создание статической осевой нагрузки на долото, создание осевой динамической нагрузки на долото, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента передачи мощности на забой скважины и снижения стоимости бурения, расход промывочной жидкости, гидравлическая осевая нагрузка, перепад давления промывочной жидкости и динамическая осевая нагрузка выбираются в соответствии с выражениями: П t П П -IРмакс Рд PR

UMMH $ U - UT I-f1 . .-r T-;err;-- ,

Орт ( а + 2 bi h ) +р2 Ј bj Ij Gr Fp (Рд + PR);

ДМИН

Ј Pi

.

Сдмин $ Gfl-S- (Смаке - Gr GB);

где Омин - минимальный расход промывочной жидкости, достаточный для очистки забоя и скважины от выбуренной породы;

От - технологически необходимый расход промывочной жидкости;

Рмэкс - максимальная эффективная величина давления на выходе бурового насоса при выбранном оборудовании и конкретных условиях углубления скважины;

Рд, Рдмин перепад давления в промывочных отверстиях долота и его минимальная величина, обусловленная технологическими и техническими причинами;

PR - гидроимпульсное давление в потоке промывочной жидкости внутри бурильной колонны;

плотность промывочной жидкости, подаваемой в скважину и выходящей из скважины соответственно;

а - коэффициент гидросопротивлений в манифольде, стояке и устьевом оборудовании бурильного инструмента;

Ь, Ij - длины соответствующих участков бурильной коронны с различными геометрическими характеристиками;

bi, bj - коэффициенты гидросопротивлений в трубах и затрубном пространстве скважины соответственно длинам li и Ij;

Gr - гидравлическая осевая нагрузка на долото и вал шпинделя;

Fp - площадь поперечного сечения вала шпинделя по его выходному из. корпуса диаметру;

В (GB + Gnp + Gn + AGr): Fp,

Смаке, Смин - максимальная и минимальная проектные величины общей осевой нагрузки на долото при объемном разрушении горных пород;

GB вес вала шпинделя с присоединенными к нему деталями;

Gnp - проектное осевое усилие, которое целесообразно передавать на долото через упругие элементы шпинделя; х

Gn - проектное постоянное осевое усилие на осевую опору шпинделя;

AGr - результирующее гидравлическое усилие на корпус шпинделя в затрубном пространстве скважины;

Сд, СДмин - динамическая осевая нагрузка на долото и ее минимальная величина.

2. Устройство вращательного бурения скважин, содержащее бурильную колонну, составленную из бурильных и утяжеленных бурильных труб, долото с промывочными окнами и узел создания и передачи статической и динамической нагрузок, выполненный в корпусе и размещенный между бурильной колонной и долотом, о т- личающееся тем, что узел создания и передачи статической и динамической нагрузок содержит полый вал, размещенный в корпусе уплотнения, радиальные и осевую

0

5

опоры и диски с отверстиями для прохода промывочной жидкости, причем один диск закреплен на верхнем торце вала соосно с ним, а другой - в верхней части корпуса соосно с корпусом, при этом плоские поверхности дисков и внутренняя поверхность корпуса образуют гидрокамеру, а корпус и вал устройства соединены между собой винтовой и пластинчатой пружинами с разным направлением навивки и различной жесткостью, причем винтовая пружина закреплена между дисками вала и корпуса, пластинчатая - в пазах вала и корпуса устройства, а на наружной поверхности нижнего конца вала между его корпусом и долотом соосно закреплен упругий центратор, при этом длина утяжеленных бурильных труб определяется соотношением:

(с

Т

) ly

с -т

4 ) У 2 где у - длина утяжеленных бурильных труб (УБТ);

С - скорость звука в материале УБТ;

Т- период продольных зубцовых вибраций долота;

Ion - расстояние от забоя до осевой опоры шпинделя.

Изобретение относится к способам бурения скважин. Цель изобретения - повышение коэффициента передачи мощности на забой скважины и снижение стоимости метра бурения. Устройство состоит из бурильной колонны, долота и встроенного со- осно между ними с помощью переводников корпуса 5, в котором размещены вал 6, осевая 11 и радиальные 13 опоры, пружины 10 и 19 с различным направлением навивки, регулируемая по высоте гидравлическая камера 24 и упругий центратор 7. Способ предусматривает передачу вращательного момента долоту от ротора или забойного двигателя через корпус 5, пружины 10 и 19 и вал 6, одновременную или раздельную передачу статической и динамической составляющих осевой нагрузки на долото через столб промывочной жидкости и через пружины 10 и 19 и осевую опору 11. Далее создают гидравлическую осевую нагрузку на вал 6 и на долото путем формирования перепада давления в промывочных узлах долота и гидроимпульсного давления в камере 24 и внутри бурильной колонны при работе бурильного инструмента в режиме гидродинамического аккумулятора. Перепад давления поддерживают от.минимального до технологически необходимого расхода промывочной жидкости. Ограничение длины утяжеленных бурильных труб осуществляют частью длины волны продольных зубцов вибраций долота. 2 с.п. ф- лы, 1 ил. СП С