УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН Советский патент 1940 года по МПК E21B4/14 

В технике ударно-вращательного бурения скважин применяются устройства, в которых буровой инструмент приводится в действие от промывной жидкости. В этих устройствах предусмотрен золотник, надетый на пустотелую вращающуюся штангу с окнами, с воздушным амортизатором и буферами, усиливающими действие долота.

Предлагаемое устройство относится к устройствам подобного рода, но отличается от них тем, что в них применены два сопла: одно сопло с конической поверхностью, укрепляемое в полой штанге против окон, и второе, укрепленное в месте соединения штанги с поршнем против окон.

Благодаря этому в предлагаемом устройстве используется и гидростатическое давление и реактивное действие отклоняющейся струи промывной жидкости.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Направляющая труба с диаметром, равным диаметру скважины, несет внутри укрепленную посредством ребер 22 внутреннюю рабочую трубу 4, имеющую в своей полости диафрагму 12 с втулкой, снабженной лабиринтовыми выточками. Внизу рабочая труба оканчивается резьбой, в которую ввернута упорная кольцевая пята 13 с предохранительным буфером 14¹. Наверху рабочая труба 4 имеет внутренний кольцевой уступ, в который входит всасывающий колпак 10. Всасывающий колпак 10 имеет внизу втулку, снабженную лабиринтовыми выточками, а сверху оканчивается конусом. Внизу наружная труба оканчивается наконечником 15, имеющим ряд выточек подобно лабиринтам. Под диафрагмой 12 укреплен предохранительный буфер 14. Кольцевые предохранительные буферы 14 и 14¹ предназначены для удержания долота от случайного вылета из трубы. Долото состоит из бойка с перьями, переходящими наверху в полый шток 3, оканчивающийся резьбой, на которую навинчивается вторая часть долота, состоящая из рабочего поршня 4¹, снабженного лабиринтовыми выточками, и сопла 5 с вытяжными окнами 27 для входа раствора над поршнем 4¹ при движении последнего вниз. Вверху поршень 4¹ переходит в полую штангу 6 для питания сопла 5 глинистым раствором. Вверху штока сделаны три окна 5, против которых к штанге 6 привернуто второе сопло 7, вытягивающее раствор из всасывающего колпака 10. Снаружи под окнами 2 на шток надета разрезная пружинящая манжета 9. В верхнюю часть рабочей трубы 4 ввертывается пневматический компенсатор, состоящий из наружной трубы 20 и внутренней трубы 21, имеющей в нижней части три окна 16, которыми она соединяется с наружной трубой компенсатора. Наверху внутренняя труба 21 переходит в конус и в ее полость вставлен поршень 18. Сверху на компенсатор навинчивается питающая труба 25, подающая глинистый раствор.

При протекании глинистого раствора через устройство происходит следующее. Раствор под давлением течет по трубе 25, наружной трубе 20 компенсатора, рассекается наконечником всасывающего колпака 10 и подходит к окнам 8 полой штанги 6. Допустим, что долото неподвижно и опирается на поверхность забоя. Тогда окна 8 открыты, так как в этот момент пружинящая манжета 9 не перекрывает окна 8 штока долота. Глинистый раствор с определенной скоростью течет через окна 8 и соплом 7 отклоняется на 90° и течет вниз по каналу штанги 6. За счет поворота текущей струи развивается определенная сила реакции, направленная вверх. Текущая вниз струя раствора производит высасывающее действие как в колпаке 10, так и в пространстве над поршнем 4¹, что сказывается уменьшением гидростатического давления в указанных местах; при данной скорости это дает уменьшение давления в колпаке 10 и в пружинной камере над поршнем 4¹ (порядка 6-7 кг/см²) по сравнению с гидростатическим давлением глинистого раствора на забое буровой скважины. Сумма всех трех сил и дает направленную вверх равнодействующую, под непрерывным действием которой долото начинает двигаться вверх с ускорением. Так как манжета 9 ходит по полой штанге 6 с трением, то она тоже движется вместе со штоком до тех пор, пока не встретит при своем движении вверх втулку всасывающего колпака 10. Штанга 6 после этого продолжает двигаться через втулку, а манжета 9 останавливается и вследствие этого перекрывает окна 8 полого штока. Протекание раствора через шток долота прекращается, а следовательно, прекращается и постоянно действующая сила подъема долота. С этого момента долото продолжает движение вверх только под влиянием запасенной им живой силы, следовательно, ускорение становится отрицательным, а движение замедленным. Движение вверх по инерции и свободное падение вниз совершались бы только под действием ускорения силы тяжести 10 м/сек², что ограничивало бы скорость падения долота, а следовательно, как силу удара долота о забой, так и число ударов, но буфер 14¹ принимает на себя живую силу движущегося вверх по инерции долота и отдает ее обратно долоту при его движении вниз. Итак, в момент закрытия манжетой 9 окон 8 штанги поршень 4¹ касается буфера 14. Живая сила долота поглощается сжимающимся буфером, долото замедляет движение, останавливается и затем начинает двигаться вниз под. действием силы тяжести и, главным образом, под действием разжимающегося буфера 14. При этом скорость падения, а следовательно, и число ударов и их сила возрастают в несколько раз. При самом верхнем положении штока долота окна 8 находятся возле верхней кромки пружинящей манжеты 9. При нисходящем движении долота манжета 9 все время перекрывает окна 8 штанги 6; сперва при движении долота вниз манжета неподвижна на долоте, окна 8 находятся возле верхней кромки манжеты 9; при дальнейшем движении вниз манжета приходит в соприкосновение со втулкой диафрагмы 12, и манжета начинает передвигаться по штоку долота. При самом нижнем положении долота, ограничиваемом предохранительным кольцевым буфером 14¹, окна 8 выходят из-под нижней кромки манжеты уже полностью. Удар долота по забою происходит в период открытия окон 8. При ударе по забою долото останавливается, глинистый раствор снова начинает под давлением течь через окна 8, снова развиваются силы, поднимающие долото вверх, и процесс начинает повторяться в описанной последовательности, пока не прекратится подача глинистого раствора. Тогда работа долота прекращается, и долото станет на забой в исходное положение, т.е. окна 8 будут открыты (при движении долота вверх и вниз перья долота испытывают сопротивление раствора, которое может не приниматься во внимание в виду его незначительности). При подъеме долота происходит высасывание раствора как из колпака 10, так и из пружинной камеры над поршнем 4¹, и поэтому объемы этих камер уменьшаются. При нисходящем движении долота объемы этих камер, наоборот, увеличиваются до первоначальной величины. При подъеме долота под влиянием эжекции происходит, как уже указано было выше, сперва отсос раствора, затем после закрытия окон 8 при дальнейшем движении вверх происходит перетекание раствора из камеры в забой. При нисходящем движении долота, наоборот, происходит тоже перетекание раствора, но уже в обратном порядке - из пространства направляющей трубы через окна 27 и 8 в камеру и через канал штанги 6 и сопло 7 в колпак 10. На перетекание раствора при нисходящем движении долота расходуется определенное усилие, которое, как показывает подсчет, существенного сопротивления не представляет. При работе долота последнее при каждом ударе должно бить по новому месту забоя, т.е. между двумя смежными ударами долото должно автоматически поворачиваться на небольшой угол. Это вращение происходит тоже за счет движения раствора через шток 3, возле выхода из которого струя встречает две наклонные лопатки 2 ударного пера 1 долота, которые и служат для поворота долота при его подъеме. Таким образом, удары перьев долота по поверхности забоя наносятся все время по новым местам. Так как протекание раствора через устройство происходит не непрерывно, а пульсацией, то для поглощения гидравлических ударов устройство снабжено пневматическим компенсатором-буфером. При закрытии окон 8 раствор заполняет часть внутренней трубы 21 компенсатора, поднимает поршень, чем и производится повышение давления сжатого воздуха. При последующем открытии окон раствор из трубы 21 через окна 16 течет в рабочую трубу 4, куда также поступает в этот период времени и раствор с поверхности земли. Для предварительной зарядки компенсатора сжатым воздухом служит вентиль, через который из баллона на поверхности земли подается сжатый воздух до давления 30-50 атм., после чего компенсатор вместе с бурильным устройством привертывается к питающей трубе 25, которая в процессе работы наращивается и опускается постепенно в скважину.

Устройство для ударно-вращательного бурения скважин с приведением в действие бурового инструмента от промывной жидкости, снабженное золотником, надетым на пустотелую вращающуюся штангу с окнами, с воздушным амортизаторам и буферами для усиления действия долота, отличающееся тем, что, с целью использования как гидростатического давления, так и реактивного действия отклоняющейся струи промывной жидкости, применено сопло 7 с конической поверхностью, укрепляемое в полой штанге 6 против окон и такое же сопло 5, укрепленное в месте соединения штанги с поршнем 4¹ против окон 27.