Вибрационный бур Советский патент 1945 года по МПК E21B4/12 

Одним из известных способов разрушения твердых пород при проходке шахт является вибрационный способ, основанный на приведении слоя породы внешними силами в быстроколебательное движение, в результате которого в слое возникают механические усилия, превышающие силы междучастичного сцепления.

Опытные исследования показали, что эффективность вибрационного разрушения, находясь в прямой зависимости от мощности вибратора, зависит также и от характера вынужденных колебаний, причем более выгодным режимом является йысокочастотный, даже при незначительных амплитудах колебания и энергии отдельных ударов.

Вибрационный метод разрушения пород может найти успешное применение также и при проходке нефтяных скважин, особенно в твердых пластах.

Однако практической реализации этот метод до сих пор не получил, ввиду невозможности осуществления надежных механических вибраторов (особенно глубоководных) достаточной мощности и с широким диапазоном частот выше 100 колебаний в секунду.

Настоящим изобретением предлагается вибрационный бур, в котором для создания вибраций применен магнитострикционный вибратор.

Такие вибрационные буры лишены недостатков обычных механических вибрационных буров. Магнитострикционный эффект заключается в укорочении или удлинении ряда ферромагнитных материалов при их намагничивании.

При перемагничивании стержня из такого материала(например, из никеля) переменным током частота продольных механических колебаний стержня вдвое больше частоты 7ока и может регулироваться частотой последнего в самых широких пределах от О до нескольких десятков тысяч в секунду.

Амплитуда колебаний, т. е. максимальное абсолютное удлинение, зависит от свойств металла, начальной длины стержня и максимальной напряженности магнитного поля.

Внутренние напряжения в стержне следуют закону Гука и могут достигать весьма больших величин., особенно при резонансе, когда вынужденная частота колебаний совпадает с собственной частотой колебаний самого стержня.

Как показывают расчеты, амплитуда колебаний и максимальные напряжения при резонансе возрастают в десятки раз, а реактивные мощности колебаний достигают весьма больших величин при потреблении незначительной ваттной мощности на покрытие потерь от внутренних трений, токов Фуко и гистерезиса.

Часть этой мощности, как во всякой колебательной системе, может быть использована в качестве активной при соответствующей компенсации от источника тока, без срыва резонансных колебаний.

На чертеже фиг. 1 представляет принципиальную схему магнитострикционного вибратора для создания осевых колебаний, фиг. 2- вибрационный бур с магнитострикционным вибратором осевых колебаний, фиг. 3-то же для разведывательного бурения, фиг. 4-принципиальную схему магнитострикционного вибратора для создания радиально напрярленкых колебаний и фиг. 5--вибрационный бур с магнитострикдионным вибратором радиальных колебаний.

Питание замкнутого сердечника осуществляется при помощи простейшей обмотки от источника переменного тока высокой частоты.

Источник питания может быть машинный или ламповый, причем последний имеет то преимущество, что он позволяет весьма просто осуществить автоматическое поддержание резонансных колебаний при различных условиях нагрузки вибратора.

Как видно из чертежа, сердечник 1 вибратора с обоих концов снабжается массивными головками 2. Верхняя головка крепится через переводник 3 к колонне 4 буровых труб, а нижняя .опирается на забой и прижимается к последнему частичным весом колонны. Обмотка сердечника состоит из нескольких витков 5 медной проволоки в резиновом шланге и присоединяется через вторичную муфту 7 к кабелю 8, смонтированному внутри колонны бурильных труб 4 (аналогично кабельной системе электробуров). К верхней головке 2 привинчивается металлический кожух 9 вибратора, защищающий его от механических повреждений и обеспечивающий циркуляцию глинистого раствора сквозь тцелевые каналы в нижней ударной головке 2 для непрерывной очистки забоя от разрушенной породы. У устья скважины кабель присоединяется к генераторной установке.

Вследствие большой массы колонн буровых труб, преимущественное изменение длины сердечника будет проявляться у забоя в виде высокочастотной вибрации нижней головки. Дяя более равномерного разрушения всей площади забоя колонна труб должна медленно вращаться обычным роторным устройством.

При соответствующем подборе характера колебаний, при котором еще не наступает кавитация у нижней головки, непосредственное соприкосновение последней с забоем не является обязательным, так как излучаемая чнергия может быть передана на забой через слой жидкости с достаточно эффективной отдачей. (По литературным данным количество энергии, переходящей из воды Б гранит, равно 40%, а в песчаник-67% от общей энергии.)

Конструктивная простота магнитострикционного вибробура и возможность выполнения его в малых диаметрах допускают применение его и в разведывательном бурении (фиг. 2,3).

Бур 10 с нижней головкой 2 и утяжелителем 11 спускается в скважину на стальном канате 12. В этом случае возможно применение одножильного непрерывного кабеля 8 с использование;у1 в качестве второй жилы самого стального каната.

Магнитострикционный вибратор можно выполнить и для создания радиальных вибраций. Сердечник радиального вибратора (фиг. 4) представляет собой пакет из тонких кольцевых пластин с выштампованными отверстиями для обмотки (система Шел-Хьюиза).

Вибрационный бур (фиг. 5) снабжен магнитострикционным вибратором 13 (фиг. 3) радиальных вибраций и может быть применен для расширения забоя в нефтеносном пласте (через жидкостную среду), а также для обработки пласта и геологических исследований при разведывательном бурении.

Предмет изобретения

1. Вибрационный бур, о т л и ч а ю1ДИЙСЯ тем, что для создания вибраций применен магнитострикционный вибратор.

2.Форма выполнения бура по п. 1, отличающаяся тем, что обмотка вибратора намотана на прямолинейный сердечник так, чтобы последний создавал осевые колебания.

3.Форма выполнения бура по п. 1. отличающаяся тем, что сердечник вибратора выполнен в виде цилиндра с аксиальными пазами для обмотки, намотанной так, чтобы сердечник создавал радиально направленные колебания.

t .

TvTTT