Устройство для бурения скважин

 

Использование: горная промышленность, в частности строительство наклонных и горизонтальных скважин устройствами в составе компоновок бурильных колонн с забойными двигателями. Сущность: устройство для бурения скважин имеет кольцевую обойму. С обоймой соединены шарниры. Обойма и корпус соединены между собой посредством шлицевого соединения. Упор выполнен в виде кольца. Толкатели размещены в радиальных каналах корпуса и подпружинены для возврата их в транспортное положение. Манжета установлена в осевом канале корпуса. Полость заполнена маслом. 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к строительству наклонных и горизонтальных скважин, а именно к устройствам в составе компоновки бурильной колонны с забойным двигателем.

Известно устройство для бурения скважин, включающее полый корпус с присоединительными резьбами, рычаги, закрепленные одним концом в кольцевой обойме, соединенные с рычагами скобы, вращающиеся на горизонтальных осях между скобами шарошки [1] Недостатком этого устройства является невысокая надежность центрирования в наклонных скважинах ввиду высокой деформирующей способности рычагов (рессорных планок). Поскольку обойма соединена с корпусом посредством подшипника скольжения, устройство не препятствует передаче реактивного момента забойного двигателя и крутильных колебаний на вышележащий участок бурильной колонны.

Известно также устройство для бурения скважин, включающее корпус с присоединительными резьбами, осевой и радиальные каналы корпуса, тяги, шарнирно связанные нижним концом с корпусом, встроенные в верхние концы тяг вращающиеся шарошки на осях, размещенных в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, толкатели тяг, прикрепленную к корпусу кольцевую упругую манжету и образующую с ним полость [2] Недостатком этого устройства является невысокая надежность работы устройства ввиду создания благоприятных условий для возникновения усталостных напряжений в жестком соединении упругой кольцевой манжеты с толкателями тяг, поскольку при работе устройства толкатели совершают перемещения не только в поперечном сечении к стенкам скважины, но и в продольной плоскости вниз, так как ось вращения тяг находится в крайней нижней точке в соединении с корпусом. При расширении кольцевой упругой манжеты полость между последней и корпусом через радиальные каналы заполняется буровым раствором, что создает условия для накопления осадка (песка, частиц глины и др.) в плоскости. Перед наращиванием циркуляцию останавливают, в результате сброса давления манжета сжимается и уплотняет осадок. После очередного наращивания в полость поступает новая порция бурового раствора, которая вновь уплотняется. Перед подъемом бурильной колонны может накопиться такое количество уплотненного осадка, что манжета не сможет принять исходное положение и тяги останутся отодвинутыми, что создаст осложнения при подъеме из-за задиров и заклинок о уступы в кавернозных участках ствола скважины и повлечь поломку тяг устройства или прихват бурильной колонны. Поскольку толкатели жестко соединены с упругой кольцевой манжетой и не должны воспринимать крутящие моменты ввиду их быстрой поломки и разрыва при этом, устройство усложнено введением дополнительных вилок, расположенных ниже упругой манжеты (расположение вилок выше упругой манжеты недопустимо из-за необходимости при этом большого выдвижения из корпуса поближе к стенкам скважины, что недопустимо), что нагромождает конструкцию, а помимо того, недостаточно надежно, поскольку увеличивается расстояние между роликом и вилкой и уменьшается расстояние между нижним концом тяги и вилками и этот своеобразный рычаг усиливает изгибающие нагрузки, действующие на вилки, поэтому повышается вероятность их поломки.

Цель изобретения повышение надежности.

Цель достигается тем, что в устройстве для бурения скважин кольцевая упругая манжета установлена в осевом канале корпуса, толкатели размещены в радиальных каналах корпуса и подпружинены, а полость заполнена маслом, при этом корпус снабжен кольцевым упором над толкателями и кольцевой обоймой, с которой шарнирном соединены нижние концы тяг, а кольцевая обойма с корпусом соединены шлицевым соединением.

Совокупность заявляемых признаков технического решения не известна из уровня техники.

Толкатель в заявляемом техническом решении выполняет в сравнении с прототипом дополнительные функции поршня и вилок. Поскольку устройство снабжено обоймой, соединенной шлицевым соединением с корпусом, на толкатели не действуют изгибающие усилия вниз в продольном сечении при отходе тяг от корпуса, так как в этом случае ось вращения тяг перенесена в место соединения с толкателями, поэтому обойма приподнимается. В данном случае шлицевое соединение необходимо и для предупреждения проворота обоймы. Одновременно решается проблема в снижении изгибающих усилий в поперечном сечении, действующих от восприятия тягами с роликами реактивного момента, так как толкатели ближе можно расположить, в сравнении с вилками в прототипе, к роликами. Кроме того, упругая кольцевая манжета в заявляемом устройстве изменяет свою функцию на противоположную, то есть не увеличивает объем полости между ней и корпусом, а наоборот, уменьшает, что позволяет заполнить полость маслом или раствором полимера, а значит, исключить накопления осадка в полости и дополнительно улучшить условия работы толкателя поршня, что повышает долговечность надежной работы механизмов устройства.

При введении дополнительных деталей и изменений в заявляемую конструкцию устройства детали выполняют новые и/или дополнительные функции, которые находятся в новых взаимосвязях с другими элементами конструкции, что в целом существенно сказывается на повышении надежности и долговечности работы устройства. Однако эти все нововведения в совокупности явным образом не следуют из уровня техники, поэтому техническое решение имеет изобретательский уровень.

Изобретение является промышленно применимым в настоящее время, поскольку, ввиду простоты конструкции, не возникнут сложности в его изготовлении и есть необходимость использования, например в нефтяной и газовой промышленности, геологии и др. при бурении скважин для повышения показателей бурения за счет предупреждения зависания УБТ и повышения нагрузки на долото, повышения точности управления азимутом наклонной скважины, повышения долговечности бурильной колонны при снижении интенсивности ее крутильных колебаний и др.

Таким образом, заявляемое устройство для бурения скважин соответствует требованиям, предъявляемым к изобретению, для предоставления правовой охраны.

На фиг. 1 показано устройство в транспортном положении; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 положение элементов устройства в процессе бурения.

Устройство для бурения скважин состоит из корпуса 1 с присоединительными резьбами 2 и осевым каналом 3. В стенках корпуса 1 выполнены радиальные каналы 4, в которые установлены подпружиненные толкатели 5 и уплотнены резиновыми кольцами 6. Толкатели 5 связаны с тягами 7, переходящими в верхней части в скобы 8, между которыми на осях 9, лежащих в плоскости, перпендикулярной оси корпуса 1, закреплены шарошки 10. Нижние концы тяг 7 посредством шарниров 11 соединены с кольцевой обоймой 12. Внутренняя поверхность обоймы 12, контактирующая с корпусом 1, выполнена с шлицевыми выступами 13, а корпус 1 в нижней части соответственно с шлицевыми пазами 14. В осевом канале 3 корпуса 1 размещена упругая кольцевая манжета 15 с обжимными стаканами 16, которые снизу и сверху зафиксированы ввертышами 17. Полость 18 между упругой кольцевой манжетой 15 и корпусом 1 заполнена маслом 19. В стенке корпуса 1 выполнено отверстие 20 для заполнения полости 18 маслом 19 и ввернута пробка 21. Над толкателями 5 на корпусе 1 жестко укреплен кольцевой упор 22 тяг 7 для предупреждения контакта шарошек 10 с корпусом 1 в процессе спуско-подъемных операций.

Устройство устанавливают в компоновке низа бурильной колонны над забойным двигателем. Может устанавливаться несколько устройств, при этом последующие располагают между утяжеленными бурильными трубами, между последними и бурильными трубами.

Устройство для бурения скважин работает следующим образом.

В процессе спуска бурильной колонны тяги 7 упираются о кольцевой упор 22, при этом шарошки 10, перекатываясь по стенкам скважины 23, удаляют рыхлые слои глинистой корки и, центрируя колонну, уменьшают биения в стволе скважины.

После спуска бурильной колонны восстанавливают циркуляцию. При повышении давления над турбобуром кольцевая упругая манжета 15 расширяется, что влечет уменьшение полости 18 и масло 19 выталкивает толкатели 5. Толкатели 5, выдвигаясь из радиальных каналов 4, воздействуют на тяги 7, которые отводят шарошки 10 к стенкам скважины 23. При этом тяги 7 одновременно влекут за собой и приподнимают обоймы 12, что предупреждает изгиб толкателей 5 вниз. В процессе углубления скважины шарошки 10 перекатываются по стенкам скважины вниз, удаляя перед собой рыхлые слои глинистой корки, уплотняют и вдавливают в горную породу нижние более плотные слои, создавая при этом бороздку. Реактивный момент турбобура передается от корпуса 1 через шлицевое соединение 13-14 обойме 12, а через радиальные каналы 4 толкателям 5 и от них через тягу 7 к шарошкам 10. Ввиду плотного прилегания шарошек 10 к стенкам скважины и трения между ними реактивный момент забойного двигателя и крутильные колебания гасятся устройством и не передаются на вышележащие участки колонны.

По окончании долбления останавливают циркуляцию бурового раствора, движение в трубном пространстве падает, упругая кольцевая манжета 15 отходит от корпуса 1 и уменьшается давление в полости 18. Подпружиненные толкатели 15 возвращают тяги 7 с шарошками 10 в исходное положение до кольцевого упора 22, при этом обойма 12 приспускается вниз.

В процессе подъема бурильной колонны шарошки 10 вращаются в противоположную сторону и также, частично центрируя колонну, уменьшают ее биение в стволе скважины.

Эффективность устройства заключается в обеспечении надежности центрирования компоновки низа бурильной колонны в скважине в процессе спуско-подъемных операций и в процессе бурения, последнее же сказывается на повышении нагрузки на долото утяжеленными бурильными трубами за счет предупреждения их зависания; в создании благоприятных условий работы бурильной колонны ввиду исключения крутильных колебаний бурильной колонны, вызванных реактивным моментом турбобура; повышении надежности выполнения устройством прямых функций без поломок ввиду того, что изгибающие усилия от реактивного момента турбобура воспринимают непосредственно толкатели, максимально приближенные к роликам; повышении надежности герметизации колонного и заколонного пространства устройства; повышении точности управления азимутом наклонной скважины при гашении реактивного момента турбобура ввиду исключения этой постоянно меняющейся, зависящей от многих факторов поправки; повышении надежности принятия устройством исходного транспортного положения перед подъемом бурильной колонны и предупреждения тем самым осложнений и аварийной ситуации.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН, включающее корпус с присоединительными резьбами, осевой и радиальные каналы корпуса, тяги, нижним концом связанные с шарнирами, встроенные в верхние концы тяг вращающиеся шарошки на осях, размещенных в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, толкатели тяг, кольцевую упругую манжету, связанную с корпусом, полость между манжетой и корпусом, упор для ограничения движения тяги в исходное положение, отличающееся тем, что оно снабжено кольцевой обоймой, связанной с шарнирами, установленной на наружной поверхности корпуса и соединенной с корпусом посредством шлицевого соединения, выполненного на обойме и корпусе, причем упор выполнен в виде кольца, а толкатели размещены в радиальных каналах корпуса и подпружинены для возврата их в транспортное положение, причем манжета установлена в осевом канале корпуса, при этом полость заполнена маслом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3