Устройство для бурения скважин

 

Использование: горная техника, в частности компоновки низа бурильной колонны, повышающие эффективность бурения. Сущность: в устройстве для бурения скважин сопло струйного насоса выполнено кольцевым. Оно образовано шаром вибратора 3 и внутренней поверхностью патрубка 2. Приемная камера струйного насоса образована патрубком 2 и поверхностью нижней половины шара 3. Приемная камера связана радиальными 8 и осевыми 9 каналами с поддолотной областью. Центральная внутренняя поверхность наддолотного переводника 1 выполнена конической, расширяющейся в сторону промывочного канала бурового долота 10. Наковальня может быть выполнена в виде шара. Диаметр шара 4 меньше диаметра шара 3. Шар 4 размещен без защемления в усеченной сферической полости решетки 5. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в компоновках низа бурильной колонны, повышающих эффективность бурения.

Известно устройство для бурения скважин /в кн. Б.З.Султанова Управление устойчивостью и динамикой бурильной колонны. М. Недра, 1991, с.114-115/, которое включает струйный насос, размещенный в скважине над долотом, и позволяет улучшить качество очистки забоя за счет увеличения количества жидкости, подводимой к забою, без увеличения подачи бурового насоса. Недостатком предложенного устройства является возможность образования наддолотного сальника, а также снижение эффективности бурения в твердых и крепких породах, связанное с периодическим отскоком долота, вызванным продольными колебаниями бурильной колонны.

Известно также устройство для бурения скважин /пат. N 2001231 С1 СССР, кл. Е 21 В 10/18, опубл. БИ N 37-38, 1993; Паневник А.В. Чернобыльский А.Г. Промысловые испытания виброэжекторного снаряда //Нефтяная и газовая промышленность. Сер. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. М. ВНИИОЭНГ, 1993, N 11, с.25-27/, включающее буровое долото с промывочным каналом, наддолотный полый переводник с радиальными и осевыми каналами и с размещенным в его полости струйным насосом, соосно установленный в полости переводника патрубок с размещенным в нем шаровым вибратором, состоящим из шарового бойка и наковальни, и узел осевого разъединения бурильной колонны, установленный над полым переводником и выполненный в виде шпинделя и водила, сопрягающихся между собой с возможностью передачи крутящего момента и осевого относительного перемещения.

Известное устройство является недостаточно надежным, что вызвано сложность конструкции, необходимостью периодической замены сменных деталей струйного насоса и вибратора при использовании промывочной жидкости с повышенным содержанием песка. При работе шарового вибратора на наковальне /в месте ее контакта с шаровым бойком/ образуется сферическое углубление, в котором происходят колебания шара, сопровождающиеся его вращением и подпрыгиванием. В результате эффективность работы вибратора снижается. Кроме того, при нахождении шара в сферическом углублении, затрудняется "запуск" вибратора во время повторного включения бурового насоса, особенно при малых расходах промывочной жидкости.

При подъеме бурильной колонны, в случае бурения с забойным двигателем, из-за большого гидравлического сопротивления его проточной части промывочная жидкость может не успевать вытекать из бурильных труб /особенно при высокой вязкости промывочной жидкости/. Это может привести к потерям промывочной жидкости в момент развинчивания соединений бурильной колонны.

Задачей изобретения является повышение надежности, увеличение срока службы и эффективности работы устройства, а также уменьшение потерь промывочной жидкости за счет упрощения конструкции и уменьшения количества сменных деталей путем совмещения узлов струйного насоса и вибратора, а также возможности свободного проворачивания наковальни вибратора в различных плоскостях.

Задача достигается тем, что сопло струйного насоса выполнено кольцевым и образовано шаром вибратора и внутренней поверхностью патрубка, а приемная камера струйного насоса выполнена в виде кольцевой диффузорной полости, образованной патрубком и нижней половиной шара, посредством, радиальных и осевых каналов связанной с наддолотной областью, причем центральная внутренняя поверхность наддолотного переводника, расположенная ниже уровня радиальных каналов выполнена конической, расширяющейся в сторону промывочного канала бурового долота. Наковальня вибратора выполнена в виде шара, диаметр которого меньше диаметра бойка, размещенного без защемления в усеченной сферической полости опорной решетки, имеющей каналы для прохода промывочной жидкости, причем сферическая полость сообщается с промывочным каналом бурового долота и каналом для подвода промывочной жидкости, а ее открывая сторона с выступающей поверхностью шара наковальни обращена к шару-бойку вибратора.

Совмещение узлов струйного насоса и вибратора упрощает конструкцию устройства и снижает количество сменных деталей. Вибрация шара вибратора турбулизирует поток, что, как известно, улучшает характеристики струйного насоса. Периодические изменения формы кольцевого сопла, вызванные колебаниями шара вибратора, приводят к тому, что струйный насос работает в переменном режиме. Периодическое изменение расхода жидкости во всасывающей линии струйного насоса и в насадках долота приводит к возникновению призабойной пульсирующей промывки, что положительно сказывается на процессе очистки забоя от шлама.

Выполнение наковальни вибратора в виде шара, установленного с возможностью вращения в различных плоскостях, способствует тому, что достигаются ее равномерный износ и точечный контакт наковальни и бойка, что увеличивает срок службы деталей и эффективность работы вибратора.

Сообщение кольцевой дуффузорной полости под шаром-бойком с наддолотной полостью позволяет облегчить выход промывочной жидкости из труб при подъеме бурильной колонны, минуя забойный двигатель, и тем самым предотвратить ее потери при развинчивании соединений бурильной колонны.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства; на фиг.2 наковальня шарового вибратора; на фиг. 3 сопрягающиеся поверхности шпинделя и водила узла осевого разъединения бурильной колонны /сечение А-А на фиг. 1/.

Устройство состоит из наддолотного переводника 1, в котором расположены патрубок 2, шар вибратора 3, наковальня 4, опорная решетка 5 с каналами для прохода жидкости 6 и сферической полостью для размещения наковальни 4. Опорная решетка 5 состоит из верхней А и нижней Б частей (фиг.1), образующих сферическую полость с наковальней 4, которые соединяются между собой с помощью резьбы. Сферическая полость сообщается промывочным каналом бурового долота, препятствующим ее зашламованию, и каналом для подвода промывочной жидкости, а ее открытая сторона с выступающей поверхностью шара-наковальни обращена к шару-бойку вибратора. Диаметр наковальни 4 меньше диаметра бойка 3. Наковальня 4 размещена в сферической полости решетки 5 без защемления и может проворачиваться под действием ударов бойка 3. Вращение наковальни 4 способствует ее равномерному износу и сохранению точечного контакта с бойком. Кольцевой зазор, образованный наковальней 4 и поверхностью сферической полости опорной решетки 5, может заполняться густой смазкой.

Кольцевая полость 7, образованная патрубком 2 и шаром 3, посредством радиальных 8 и осевых 9 каналов связана с наддолотной областью. В качестве радиальных каналов 8 может быть использована проточка в корпусе переводника 1. Снизу к переводнику 1 крепится долото 10 или забойный двигатель.

Наддолотный переводник 1 с помощью переводника 11 соединяется с шпинделем 12 и водилом 13. Шпиндель 12 имеет наружное, а водило 13 внутреннее шестигранное сечение. Водило 13 посредством переводника 14 соединяется с колонной бурильных труб 15. Переводники 11, 14, шпиндель 12 и водило 13 образуют узел осевого разъединения бурильной колонны и позволяют передавать крутящий момент при сохранении возможности осевого относительного перемещения.

Устройство спускается в скважину 16 на колонне бурильных труб 15.

Устройство работает следующим образом. Двигаясь по центральному каналу, поток жидкости проходит разъединитель бурильной колонны, шаровой вибратор 3 и долото 10 и поступает к забою скважины. Под действием потока шар 3 вибратора совершает продольные и поперечные колебания. В кольцевой полости 7, образованной шаром 3 и внутренней поверхностью патрубка 2, скорость потока возрастает, а давление снижается. Понижение давления приводит к возникновению дополнительного контура циркуляции промывочной жидкости. Часть промывочной жидкости, поступающей с забоя по осевым каналам 9 и радиальным каналам 8, всасывается в кольцевую полость 7, образованную шаром 3 и внутренней поверхностью переводника 1, где смешивается с основным потоком, поступающим от бурового насоса. Смешанный поток движется в нижней части полого переводника, которая выполнена конической К и играет роль диффузора струйного насоса, и затем проходит через отверстия 6 в опорной решетке 5 и поступает к долоту.

Колебания шара 3 приводят к переменному режиму работы струйного насоса. Изменение расхода промывочной жидкости в каналах 9, а также в насадках долота 10 приводит к возникновению призабойной пульсирующей промывки, повышающей качество очистки забоя.

Узел осевого разъединения бурильной колонны обеспечивает постоянное прижатие долота 10 к забою в процессе бурения, сопровождающегося колебанием бурильной колонны. Долото 10 прижимается к забою благодаря перепаду давления в насадках долота, а также разности скоростей /вызванной различными площадями сечений/ в полости шпинделя 12 и водила 13. Движение нижней части бурильной колонны 15 вверх сопровождается выдвижением шпинделя 12 из внутренней полости водила 13. При опускании бурильной колонны шпиндель 12 входит во внутреннюю полость водила 13. Разъединитель позволяет передавать динамическую нагрузку на долото при сохранении непрерывного контакта шарошек с забоем.

Технико-экономическая эффективность от использования устройства достигается за счет увеличения срока службы и эффективности его работы при бурении скважин в условиях повышенной категории прочности горных пород.

Формула изобретения

1. Устройство для бурения скважин, включающее буровое долото с промывочным каналом, наддолотный переводник с радиальными и осевыми каналами и с размещенным в его полости струйным насосом, соосно установленный в полости переводника патрубок с размещенным в нем шаровым вибратором, состоящим из шарового бойка и наковальни, и узел осевого разъединения бурильной колонны, установленный над полым переводником и выполненный в виде шпинделя и водила, сопрягающихся между собой с возможностью передачи крутящего момента и осевого относительного перемещения, отличающееся тем, что сопло струйного насоса выполнено кольцевым и образовано шаром вибратора и внутренней поверхностью патрубка, а приемная камера струйного насоса, выполненная в виде кольцевой диффузорной полости, образованной патрубком и поверхностью нижней половины шара, посредством радиальных и осевых каналов связана с наддолотной областью, при чем центральная внутренняя поверхность наддолотного переводника, расположенная ниже уровня радиальных каналов, выполнена конической, расширяющейся в сторону промывочного канала бурового долота.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наковальня выполнена в виде шара, диаметр которого меньше диаметра шара-бойка, размещенного без защемления в усеченной сферической полости опорной решетки, имеющей каналы для прохода промывочной жидкости, причем сферическая полость сообщается с промывочным каналом бурового долота и каналом для подвода промывочной жидкости, а ее открытая сторона с выступающей поверхностью шара обращена к шар-бойку вибратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3