Устройство для направленного бурения скважин

 

Использование: для проводки направленных скважин при сооружении дренажных систем в сложных гидрогеологических условиях. Сущность изобретения: колонна труб с индивидуальным приводом подачи и вращения имеет установленный в его полости вал, имеющий на одном конце буровой инструмент, а на другом - индивидуальный привод вращения. Вал установлен в нижней части колонны труб на эксцентричном подшипнике с возможностью смещения подшипника в радиальном направлении. Колонна труб в нижней части по наружной поверхности выполнена со скосом. Для бурения прямолинейного участка скважины осуществляют вращение колонны труб и вала одновременно. Для бурения участка скважины с изменяющимся направлением направление смещения эксцентриситета бурового вала совмещают с направлением необходимого искривления скважины и осуществляют вращение вала с подачей колонны труб без ее вращения. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при сооружении дренажных систем в сложных гидрогеологических условиях.

Известно устройство для направленного бурения скважин, включающее колонну труб с приводом вращения, установленный в полости колонны труб вал с буровым инструментом, приводом вращения и узел отклонения долота [1].

Недостатком этого устройства является то, что во время бурения оно развивает большие усилия на стенку скважины.

Известно также устройство для направленного бурения скважин, включающее колонну труб с приводом подачи и вращения, установленный в полости колонны труб вал с буровым инструментом на одном конце и приводом вращения на другом и узел отклонения бурового инструмента, содержащий подшипник, эксцентрично установленный относительно оси колонны труб, промежуточную секцию с переходниками и стабилизаторы [2].

Недостатком этого устройства является отсутствие плавного регулирования интенсивности искривления скважины.

Цель изобретения - управление интенсивностью искривления скважины.

Достигается это тем, что известное устройство для направленного бурения скважин, включающее колонну труб с приводом подачи и вращения, установленный в полости колонны труб вал с буровым инструментом на одном конце с приводом вращения на другом и узел отклонения бурового инструмента, содержащий подшипник, эксцентрично установленный относительно оси колонны труб, снабжено узлом смещения подшипника в радиальном направлении, а колонна труб в нижней части по наружной поверхности выполнена со скосом.

Достигается это также тем, что узел смещения подшипника выполнен в виде эксцентричной втулки с конической наружной поверхностью, установленной между валом и подшипником большим основанием со стороны бурового инструмента, причем внутренняя поверхность подшипника имеет ответную втулке коническую поверхность, а угол при вершине меньше двойного угла трения пары материалов подшипника и втулки.

Для достижения цели изобретения возможно выполнение узла смещения подшипника в виде регулируемых ребер, связывающих подшипник с внутренней поверхностью колонны труб.

На фиг. 1 представлено устройство для бурения скважин, общий вид с частичным разрезом; на фиг. 2 - передняя часть колонны труб с буровым инструментом; на фиг. 3 - сечение по А-А на фиг. 2 (колонны труб в месте установки подшипника); на фиг. 4 - втулка подшипника, вид сбоку; на фиг. 5 - вид по стрелке Б на фиг. 4; на фиг. 6 - конструкция подшипника (винтовой вариант выполнения); на фиг. 7 - схема проходки прямолинейного и криволинейного участков скважины.

Устройство для бурения скважин состоит из станины 1 (фиг. 1) с направляющими 2, ползунов 3, платформы 4, связанной с приводом подачи 5, колонны труб 6 с ее индивидуальным приводом вращения 7, бурового вала 8 с индивидуальным приводом вращения 9, бурового инструмента 10, эксцентрично установленного подшипника 11 и узла 12 смещения этого подшипника в радиальном направлении в виде, например, конической по наружной поверхности втулки 12 (фиг. 2), поддерживающей хвостовик 13 бурового инструмента 10. Подшипник 11 крепится к забойной части колонны трубы 6 посредством ребер 14 эксцентрично так, что продольные геометрические оси 15 и 16 соответственно колонны труб 6 и подшипника 11 отстоят друг от друга на расстоянии 17, равном эксцентриситету l (фиг. 3). На таком же расстоянии 18 (фиг. 4 и 5), равном эксцентриситету l, находятся продольные оси 19 и 20 соответственно конической втулки 12 и ее отверстия 21, что позволяет путем поворота втулки 12 относительно подшипника 11 изменять (регулировать) эксцентриситет 22 бурового инструмента 10, хвостовик 13 которого проходит через отверстие 21, относительно колонны труб 6 в пределах от нуля до 2l. Конусность 23 втулки 12 выбрана меньше угла трения пары материалов втулки 12 и подшипника 11, что обеспечивает неподвижность втулки 12 при бурении.

Во втором варианте выполнения узла смещения подшипника 11 (фиг. 6) эксцентриситет 18 регулируется тягами 24, взаимодействующими с подшипником 11 посредством резьбового соединения 25. Упоры 26 увеличивают жесткость крепления подшипника 11. Гайки 27 тяг 24 и упоров 26 являются фиксирующими и жестко связаны с колонной труб 6. Буровой инструмент 10 имеет диаметр, превосходящий наружный диаметр труб 6, и устанавливается на подшипнике 11 эксцентрично относительно конца колонны труб 6 так, что с одной стороны он не перекрывает габарит трубы 6 (фиг. 2) (на величину не более толщины трубы), а с противоположной стороны выходит за ее поперечный габарит. Колонна труб 6 имеет на конце скос 28, взаимодействующий со стенкой скважины в режиме криволинейного бурения. Для ориентирования в режиме криволинейного бурения может устанавливаться метка 29, например магнитная. Буровой инструмент 10 закрепляется в подшипнике 11 пружинным кольцом 30 и связан с буровым валом 8 посредством разъемной муфты 31. Система удаления разбуренной породы при горизонтальном бурении шнековая (на чертеже не показано), обеспечивается применением в качестве бурового вала 8 шнековой колонны. При бурении нисходящих скважин применяется типовая система удаления разбуренной породы промывкой. Приводы вращения 7 и 9 вала работают независимо друг от друга. Они жестко связаны с платформой 4. Станина 1 крепится в месте установки так, что остается неподвижной в процессе бурения.

Устройство работает следующим образом. После включения приводов 9 и 7 вращения соответственно бурового вала 8 и колонны труб 6, а также привода подачи 5 создается режим бурения прямолинейной скважины: буровой инструмент 10 внедряется во впереди его расположенную породу и, разрушая ее, формирует скважину, стенки которой защищаются от обвалов перемещающейся вместе с буровым инструментом колонной труб 6. Разбуренная порода попадает внутрь колонны 6, через которую она удаляется системой удаления разбуренной породы (на чертеже не показано).

В процессе бурения под действием привода подачи 5 вместе с буровым инструментом 10, буровым валом 8 и колонной труб 6 перемещается также платформа 4 с установленными на ней приводами вращения 7 и 9. Прямолинейность перемещения платформы обеспечивается ползунами 3, движущимися по направляющим 2. По достижении платформой 4 своего предельного положения колонны труб 6 и буровой вал 8 освобождаются от удержания соответственно приводами 7 и 9 и платформа 4 перемещается назад в крайнее положение. Далее наращиваются колонны труб 6 и буровой вал 8 и производится новый цикл бурения.

В данном режиме бурения формируется прямолинейный участок 32 скважины (фиг. 7) диаметром D_скв, превосходящим диаметр бурового инструмента D_би на величину двойного эксцентриситета установки подшипника 11, т.е.

D_скв = D_би + 2l . (1) Для бурения участка 33 скважины с изменяющимся направлением бурения (криволинейного участка скважины) колонна труб 6 устанавливается так, что направление смещения эксцентрично расположенного бурового инструмента совпадает с направлением необходимого искривления скважины.

Бурение производится без вращения колонны труб 6 при работающих приводах вращения колонны бурового вала 9 и подачи 5. При этом скважина бурится диаметром D'_скв., равным диаметру бурового инструмента, т.е. D'_скв. = D_би. , с учетом зависимости (1) D'_скв. < D_скв. Искривление скважины происходит за счет того, что скос 28 колонны обсадных труб 6, взаимодействуя со стенкой 34 скважины, создает силу, отклоняющую буровой инструмент 10 в направлении оси 16 бурового вала 8.

После того, как необходимое искривление будет обеспечено, включается привод вращения 7 колонны труб 6 и устройство переходит в режим бурения прямолинейного участка 35 скважины.

Радиус искривления криволинейного участка скважины определяется по приближенной формуле R= (2) где R - радиус искривления криволинейной части скважины, м; a - минимальное расстояние от режущей кромки 36 бурового инструмента до точки 37 скоса колонны 6, взаимодействующей со стенкой скважины в процессе бурения искривленного участка скважины, м.

x - минимальное расстояние между точкой 37 скоса трубы 6, взаимодействующей со стенкой скважины, и линией габарита трубы 6, м.

Угол искривления криволинейного участка 33 скважины определяется по приближенной формуле α= (3) где α - угол искривления криволинейного участка 33 скважины, град.

L - длина участка 33 скважины, м.

Из зависимостей (2) и (3) следует, что угол искривления скважины в большой степени зависит от параметров a и x, которые в свою очередь определяются величиной эксцентриситета 22 бурового инструмента 10. Поэтому для обеспечения заданной интенсивности искривления скважины необходимо иметь возможность тонкой регулировки эксцентриситета 22 бурового инструмента 10. Это обеспечивается конструктивными решениями подшипника 11.

При использовании устройства для соединения между собой водосборных колодцев дренажных систем (на чертеже не показано) по завершению бурения скважины буровой инструмент 10 попадает в водосборный колодец, откуда он извлекается вместе с передней трубой колонны 6 для повторного использования.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН, включающее колонну труб с приводом подачи и вращения, установленный в полости колонны труб вал с буровым инструментом на одном конце и приводом вращения на другом и узел отклонения бурового инструмента, содержащий подшипник, эксцентрично установленный относительно оси колонны труб, отличающееся тем, что, с целью управления интенсивностью искривления скважины, оно снабжено узлом смещения подшипника в радиальном направлении, колонна труб в нижней части по наружной поверхности выполнена со скосом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел смещения подшипника выполнен в виде эксцентричной втулки с конической наружной поверхностью, установленной между валом и подшипником большим основанием со стороны бурового инструмента, причем внутренняя поверхность подшипника имеет ответную втулке коническую поверхность, а угол при вершине конуса меньше двойного угла трения пары материалов подшипника и втулки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел смещения подшипника выполнен в виде регулируемых ребер, связывающих подшипник с внутренней поверхностью колонны труб.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7