Способ бурения погружными гидроударниками и отражатель- синхронизатор гидроударника

 

Изобретение относится к бурению скважин погружными гидроударниками. Способ включает подачу к рабочей камере гидроударника жидкого рабочего агента через колонну бурильных труб. Количество подаваемой жидкости Q определяют в соответствии с соотношением где d - диаметр канала синхронизатора-волновода; L - длина канала синхронизатора-волновода; ρ - плотность жидкого рабочего агента; c - скорость распространения гидроударной волны в жидком рабочем агенте; _кл - установленный ход клапана гидроударника; M_б - масса бойка гидроударника; S_п - площадь сечения поршня бойка; α - эмпирический коэффициент, равный 1,32-2,64. Отражатель-синхронизатор включает колонну труб, синхронизатор-волновод с каналом и размещенными по его концам нижним и верхним отражающими элементами, верхнюю рабочую камеру гидроударника с клапаном, поршнем-бойком и цилиндром. Отражающие элементы представляют собой поверхности раздела сечений канала синхронизатора-волновода и соответственно рабочей камеры и бурильных труб. Отношение диаметра d канала синхронизатора-волновода между отражающими элементами к его длине L выполнено в соответствии с соотношением где ρ - плотность жидкого рабочего агента; c - скорость распространения гидроударной волны в жидком рабочем агенте; _кл - установленный ход клапана гидроударника; M_б - масса бойка гидроударника; S_п - площадь сечения поршня бойка; q - параметр расхода рабочего агента гидроударника; α - эмпирический коэффициент, равный 1,32-2,64. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и расширение области применения гидроударного бурения. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 6 ил.

Предложения относятся к бурению скважин погружными гидроударниками.

Известен способ бурения погружными гидроударниками с верхней рабочей камерой, клапаном, поршнем-бойком путем подачи к рабочей камере гидроударника жидкого рабочего агента через колонну бурильных труб и отражатель-синхронизатор фаз рабочего цикла гидроударника с приходящими в его рабочую камеру отраженными волнами, выполненный с синхронизатором-волноводом, диаметр канала которого меньше внутреннего диаметра колонны бурильных труб и рабочей камеры гидроударника, и отражающими элементами в виде поверхностей раздела сечений канала синхронизатора-волновода и, соответственно, рабочей камеры гидроударника и нижнего конца колонны бурильных труб [1].

Известен отражатель-синхронизатор фаз рабочего цикла гидроударника с приходящими в его рабочую камеру отраженными волнами, включающий колонну бурильных труб, синхронизатор-волновод с каналом и размещенными по его концам верхним и нижним отражающими элементами в виде поверхностей раздела волноводов с разными сечениями, верхнюю рабочую камеру гидроударника, причем диаметр d канала синхронизатора-волновода выполнен меньшим внутреннего диаметра колонны бурильных труб и рабочей камеры гидроударника [1].

Однако известные способ и устройство имеют следующие недостатки: соотношение геометрических размеров отражателя-синхронизатора и регулировочных параметров гидроударника с режимом подачи рабочего агента определено только теоретически и не соответствует условиям бурения, в связи с чем невозможно провести синхронизацию фаз работы гидроударной машины с приходящими в рабочую камеру отраженными волнами давления и разрежения и перевести работу машины из переходного низкоэффективного в стационарный режим, характеризующийся высокими значениями КПД; сброс лишнего для гидроударника количества подаваемого насосом рабочего агента к долоту и (или) в затрубное пространство производят через каналы в корпусе рабочей камеры или в клапане, в связи с чем уменьшается давление гидравлического удара и снижается скорость разгона поршня-бойка, что также приводит к нарушению стабильности работы гидроударной машины и снижению эффективности бурения; в случае необходимости подачи в машину большего, чем обеспечивает насос (при избыточном потенциале его по давлению), приходится переходить (или вновь создавать) на другой отражатель, к тому же, возрастают гидродинамические сопротивления в трубах и затрубном пространстве и относительно долго происходит вход в стационарный режим работы гидроударника; длина синхронизатора-волновода может быть достаточно большой, что неприемлемо для условий работы, где требуется ограничить длину бурового снаряда; когда бурильные трубы непосредственно соединяются с гидроударником, сброс (байпас) лишнего количества рабочего агента, которое направляется к породоразрушающему инструменту и (или) в затрубное пространство, производят непосредственно над машиной или в клапане гидроударника. Это приводит к перераспределению потоков по сравнению с установленным соотношением площадей сбросового и прямого каналов в момент гидроудара и резкого увеличения давления и, как следствие, увеличению количества сбрасываемой жидкости и соответственно снижению количества рабочего агента и давления в рабочей камере, определяющего разгон поршня-бойка, и снижению эффективности гидроударного бурения.

Предлагаемые технические решения направлены на повышение эффективности и расширение области применения гидроударного бурения путем повышения КПД работы гидроударных машин в различных условиях их использования.

Указанный результат достигается за счет того, что в способе бурения погружными гидроударниками с верхней рабочей камерой, клапаном, поршнем-бойком путем подачи к рабочей камере гидроударника жидкого рабочего агента через колонну бурильных труб и отражатель-синхронизатор, выполненный с синхронизатором-волноводом, диаметр канала которого меньше внутреннего диаметра колонны бурильных труб и рабочей камеры гидроударника, и отражающими элементами в виде поверхностей раздела сечений канала синхронизатора-волновода и, соответственно, рабочей камеры гидроударника и нижнего конца колонны бурильных труб, количество подаваемого жидкого рабочего агента Q определяют в соответствии с соотношением:

где d - диаметр канала синхронизатора-волновода;
L - длина канала синхронизатора-волновода;
ρ - плотность жидкого рабочего агента;
с - скорость распространения гидроударной волны в жидком рабочем агенте;
Х_кл - установленный ход клапана гидроударника;
М_б - масса бойка гидроударника;
S_п - площадь сечения поршня бойка;
α - эмпирический коэффициент, равный 1,32-2,64.

У входа в синхронизатор-волновод производят разделение потока рабочего агента на два, один из которых направляют в синхронизатор-волновод, а другой - в затрубное пространство.

В бурильную колонну непосредственно над входом в синхронизатор-волновод в поток рабочего агента добавляют жидкость из затрубного пространства.

Указанный результат достигается за счет того, что в отражателе-синхронизаторе, включающем колонну бурильных труб, синхронизатор-волновод с каналом и размещенными по его концам верхним и нижним отражающими элементами в виде поверхностей раздела волноводов с разными сечениями, верхнюю рабочую камеру гидроударника, причем диаметр d канала синхронизатора-волновода выполнен меньшим внутреннего диаметра колонны бурильных труб и рабочей камеры гидроударника, отношение диаметра d канала синхронизатора-волновода между отражающими элементами к его длине L соответствует:

где ρ - плотность жидкого рабочего агента;
с - скорость распространения гидроударной волны в жидком рабочем агенте;
Х_кл - установленный ход клапана гидроударника;
М_б - масса бойка гидроударника;
S_п - площадь сечения поршня бойка;
q - параметр расхода рабочего агента гидроударника;
α _ эмпирический коэффициент, равный 1,32-2,64.

Отражатель-синхронизатор снабжен обратным гидродинамическим дросселем, размещенным в нижнем отражающем элементе. В отражателе-синхронизаторе непосредственно над верхним отражающим элементом выполнен канал, сообщающий внутреннее сечение колонны бурильных труб с затрубным пространством. Канал синхронизатора-волновода выполнен криволинейным.

Указанный результат достигается за счет того, что в отражателе-синхронизаторе, включающем колонну бурильных труб, верхний и нижний отражающие элементы, верхнюю рабочую камеру гидроударника, причем нижний отражающий элемент выполнен в виде поверхности раздела сечения колонны бурильных труб и рабочей камеры гидроударника, верхний отражающий элемент выполнен в виде канала, сообщающего колонну бурильных труб с затрубным пространством, при этом расстояние до этого канала от нижнего отражающего элемента ₁ соответствует:

где d_К - внутренний диаметр бурильной колонны;
ρ - плотность жидкого рабочего агента;
с - скорость распространения гидроударной волны в жидком рабочем агенте;
Х_кл - установленный ход клапана гидроударника;
М_б - масса бойка гидроударника;
S_п - площадь сечения поршня бойка;
q - параметр расхода рабочего агента гидроударника;
α - эмпирический коэффициент, равный 1,32-2,64.

Предлагаемые изобретения поясняются чертежами, где на фиг.1 показан общий вид отражателя-синхронизатора; на фиг.2 - общий вид отражателя-синхронизатора, в котором канал синхронизатора-волновода выполнен криволинейным; на фиг.3-5 - варианты выполнения отражателя-синхронизатора с каналами, связывающими соответственно внутренний канал бурильных труб с затрубным пространством; на фиг. 6 - общий вид отражателя-синхронизатора, который снабжен струйным насосом, размещенным выше верхнего отражающего элемента.

Отражатель-синхронизатор включает колонну бурильных труб 1, синхронизатор-волновод 2 с каналом 3 и размещенными по его концам нижним 4 и верхним 5 отражающими элементами, верхнюю рабочую камеру 6 гидроударника с клапаном 7, поршнем-бойком 8 и цилиндром 9 и обратным гидродинамическим дросселем 10. Отражающие элементы 4 и 5 представляют собой поверхности раздела сечений канала 3 синхронизатора-волновода 2 и соответственно рабочей камеры 6 и колонны бурильных труб 1.

Внутренний канал колонны бурильных труб 1 через канал 11 связан с породоразрушающим инструментом 12 и (или) затрубным пространством 13 (фиг.3-5).

Отражатель-синхронизатор снабжен струйным насосом (фиг.6), включающим сопло 14, приемную камеру 15, рабочую камеру 16, диффузор 17. Приемная камера 15 связана с затрубным пространством 13 через фильтр 18 и обратные клапаны 19.

Канал синхронизатора-волновода может быть выполнен криволинейным, например, винтовым, как это показано на фиг.2, позиция 20.

Устройство работает следующим образом.

Включается в работу насос и после того, как рабочий агент достигает гидроударника, буровой инструмент ставят на забой. При этом поршень-боек 8 движется вверх и сталкивается с клапаном 7. Возникает гидравлический удар, давление которого воздействует на клапан 7 - поршень-боек 8, разгоняя их, и в виде волны давления распространяется вверх в сторону насоса.

Эта волна давления, распространяясь из рабочей камеры с площадью сечения d_р.к в канал 3 диаметром d_в, меньшим d_р.к, частично отражается от границы раздела их внутренних сечений (нижний отражающий элемент), и со скоростью звука возвращается в рабочую камеру, а другая часть волны с той же скоростью проходит дальше. Следующее преобразование проходящей волны происходит на разделе сечений внутреннего канала 3 синхронизатора-волновода 2 и бурильных труб 1 (верхний отражающий элемент 5). При этом, если в первом случае на границе рабочая камера - синхронизатор-волновод отраженная волна имеет тот же знак (синфазное отражение, так как d_р.к>d_в), что и пришедшая волна давления, что обеспечивает удержание высокого давления в рабочей камере 6, то во втором случае (синхронизатор-волновод - бурильные трубы), отраженная волна меняет знак (противофазное отражение, так как d_в<d): пришла волна давления, а отражается в виде волны разрежения. Если отраженная волна разрежения приходит в рабочую камеру в период, когда еще не завершена фаза разгона бойка, то благодаря снижению давления над клапаном 7, происходит его ранний отскок от поршня-бойка 8. Движение последнего, в связи с увеличением свободного хода, за счет части рабочего хода замедляется. Это приводит к снижению энергии удара вплоть до перехода на безударный режим работы гидроударника. Повышенное давление гидравлического удара, так как внутреннее сечение канала 3 синхронизатора-волновода 2 меньше внутреннего сечения бурильных труб 1, реализуется в виде повышения энергии и частоты ударов поршня-бойка 8 по наковальне только в случае синхронизации прихода отраженных волн с учетом их знака (давление-разрежение) с фазами рабочего цикла гидроударника. Отраженная волна давления должна приходить в рабочую камеру 6 в период роста давления гидроудара в ней и разгона поршня-бойка 8, а разрежения - после завершения фазы разгона поршня-бойка 8.

После того как клапан 7 останавливается на цилиндре 9, что соответствует положению, отображенному на фиг.1, при дальнейшем движении поршня-бойка 8 между ним и клапаном 7 образуется зазор, куда устремляется поток рабочего агента и образуется волна разрежения, распространяемая и к забою, и в сторону насоса. Она при своем движении отражается синфазно от нижнего отражающего элемента 4, и отраженная волна разрежения движется в сторону забоя. Это совпадает с фазой обратного хода поршня-бойка 8 и взвод бойка ускоряется. Прошедшая волна разрежения отражается от верхнего отражающего элемента 5 противофазно, и она в виде волны давления движется в сторону рабочей камеры 6. Если ее приход и нарастание амплитуды совпадает с фазой разгона бойка, то ее давление алгебраически сложится с давлением гидравлического удара, усиливая последний.

Таким образом, синхронизация прихода отраженных волн с фазами рабочего процесса обеспечивает снижение утечек волновой энергии, стабилизирует рабочий процесс и повышает КПД работы гидроударника.

Эффект синхронизации достигается благодаря тому, что параметр расхода гидроударника (количество рабочего агента, на который он рассчитан) принимают в соответствии с соотношением:

Если расход рабочего агента задан технологически для эффективной очистки забоя и транспортировки шлама, то длина синхронизатора-волновода должна соответствовать зависимости:
.

Синхронизатор-волновод относительно большой длины и малого диаметра внутреннего сечения во многих случаях трудно выполним и технологически не оправдан. Снижение его длины достигается тем, что канал синхронизатора-волновода (позиция 20 на фиг.2) выполнен криволинейным, например, винтовым.

В случае, если необходимо на забой или в затрубное пространство увеличить количество жидкости по сравнению с необходимым для эффективной работы гидроударной машины, например для улучшения транспортировки разрушенной породы, сброс к породоразрушающему инструменту и (или) в затрубное пространство осуществляют выше верхнего отражающего элемента, для чего непосредственно над ним выполнен канал 11, сообщающий внутренний канал колонны бурильных труб 1 с породоразрушающим инструментом 12 и (или) затрубным пространством 13 (фиг. 3 и 4). В этом случае выбирают соответствующее заданным условиям соотношение размеров прямого и сбросового каналов. Некоторое изменение соотношения прямого и сбросового потоков в зависимости от прихода волны давления или разрежения приводит соответственно к усилению эффекта синхронизации, так как в первом случае увеличивается количество сбросовой жидкости, что приводит к снижению давления в отраженной волне разрежения. Во втором случае (приход волны разрежения) - к увеличению амплитуды давления в отраженной волне, идущей в рабочую камеру 6.

Для того чтобы усилить эффект удержания давления в рабочей камере 6 после возникновения гидроудара, отражатель-синхронизатор в соответствии с фиг. 1, 5 и 6 (поз.10) снабжен обратным гидродинамическим дросселем в виде конфузора, плавно переходящего в цилиндрический канал (сверху вниз).

Движение потока вниз происходит с минимальным сопротивлением, в то время как массовое перемещение жидкости из зоны повышенного давления гидроудара в сторону насоса (более низкого давления) затруднено. Этот эффект выражается в том, что гидроударник практически сразу начинает работать в стационарном режиме, в то время, как без обратного гидродинамического дросселя переходный режим длится до двух, трех минут.

Для снижения гидродинамических сопротивлений в подводящем (насос - гидроударник) и отводящем (гидроударник - затрубное пространство - поверхность) трубопроводах в бурильную колонну непосредственно над входом в синхронизатор-волновод в поток рабочего агента добавляют жидкость из затрубного пространства. Для этого синхронизатор-волновод 2 в соответствии с фиг.6 снабжен струйным насосом, состоящим из сопла 14, приемной камеры 15, рабочей камеры 16 и диффузора 17.

Поступающий из насоса рабочий агент проходит по внутреннему каналу бурильных труб 1 в сопло 14, в котором скорость потока увеличивается, благодаря чему в приемной камере 15 образуется вакуум. Поэтому из затрубного пространства 13 жидкость через фильтры 18 и седла клапанов 19, которые приподнимаются, проходит в приемную камеру 15 и далее к синхронизатору-волноводу. Под воздействием волны давления, приходящей в эту камеру, клапаны 19 закрываются, предотвращая перелив рабочего агента в затрубное пространство 13, в то время как под воздействием волны разрежения эффект подсоса жидкости из затрубного пространства усиливается. Струйный насос находится выше верхнего отражающего элемента синхронизатора-волновода 2, в связи с чем его работа усиливает синхронизирующее действие устройства.

В случае, когда бурильные трубы непосредственно соединяются с рабочей камерой гидроударника (фиг.5), нижний отражающий элемент - это поверхность раздела сечения внутреннего канала колонны бурильных труб и рабочей камеры 6, а роль верхнего отражающего элемента играет сбросовый канал, площадь сечения которого в сумме вместе с площадью сечения внутреннего канала бурильной трубы больше сечения одной трубы. Поэтому имеет место и стабилизация режима работы гидроударника, и синхронизация приходящих в рабочую камеру отраженных волн с фазами рабочего цикла гидроударной машины. Обратный гидродинамический дроссель 10 обеспечивает аналогичный для синхронизатора-волновода эффект и в этом случае. В этих условиях может также быть применен струйный насос, размещаемый вместо сбросового канала.

Таким образом, данные технические решения позволят:
согласовать соотношение геометрических размеров отражателя-синхронизатора и регулировочных параметров гидроударника с режимом подачи рабочего агента, в связи с чем возможно провести синхронизацию фаз работы гидроударной машины с приходящими в рабочую камеру отраженными волнами давления и разрежения и перевести работу машины из переходного в стационарный режим, характеризующийся высокими значениями КПД;
избежать снижения давления гидравлического удара при сбросе лишнего для гидроударника количества подаваемого насосом рабочего агента к долоту и (или) в затрубное пространство, что приведет к повышению забойной мощности и стабильности работы гидроударной машины и, как следствие, повышению эффективности бурения;
в случае необходимости подачи в машину большего, чем обеспечивает насос (при избыточном потенциале его по давлению) расхода рабочего агента, можно использовать струйный насос и уменьшить гидродинамические сопротивления в бурильных трубах и затрубном пространстве;
уменьшить время входа в стационарный режим работы гидроударника;
уменьшить длину синхронизатора-волновода, что позволит снизить длину бурового снаряда.

Источник информации
1. А. Т. Киселев и Ю.А. Меламед "Перспективы развития вращательно-ударного бурения высокочастотными гидроударниками на малых расходах промывочной жидкости". Известия вузов "Геология и разведка", 1984, 11, с. 85-94, рис.1.

Формула изобретения

1. Способ бурения погружными гидроударниками с верхней рабочей камерой, клапаном и поршнем-бойком путем подачи к рабочей камере гидроударника жидкого рабочего агента через колонну бурильных труб и отражатель-синхронизатор, выполненный с синхронизатором-волноводом, диаметр канала которого меньше внутреннего диаметра колонны бурильных труб и рабочей камеры гидроударника, и отражающими элементами в виде поверхностей раздела сечений канала синхронизатора-волновода и соответственно рабочей камеры гидроударника и нижнего конца колонны труб, отличающийся тем, что количество подаваемой жидкости Q определяют в соответствии с соотношением:

где d - диаметр канала синхронизатора-волновода;
L - длина канала синхронизатора-волновода;
ρ - плотность жидкого рабочего агента;
c - скорость распространения гидроударной волны в жидком рабочем агенте;
X_кл - установленный ход клапана гидроударника;
M_б - масса бойка гидроударника;
S_п - площадь сечения поршня бойка;
α - эмпирический коэффициент, равный 1,32-2,64.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что у входа в синхронизатор-волновод производят разделение потока рабочего агента на два, один из которых направляют в синхронизатор-волновод, а другой - в затрубное пространство.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в бурильную колонну непосредственно над входом в синхронизатор-волновод в поток рабочего агента добавляют жидкость из затрубного пространства.

4. Отражатель-синхронизатор гидроударника, включающий колонну бурильных труб, синхронизатор-волновод с каналом и размещенными по его концам верхним и нижним отражающими элементами в виде поверхностей раздела волноводов с разными сечениями, верхнюю рабочую камеру гидроударника, причем диаметр d канала синхронизатора-волновода выполнен меньшим внутреннего диаметра колонны бурильных труб и рабочей камеры гидроударника, отличающийся тем, что отношение диаметра d канала синхронизатора-волновода между отражающими элементами к его длине L выполнено в соответствии с соотношением

где ρ _ плотность жидкого рабочего агента;
c - скорость распространения гидроударной волны в жидком рабочем агенте;
X_кл - установленный ход клапана гидроударника;
M_б - масса бойка гидроударника;
S_п - площадь сечения поршня бойка;
q - параметр расхода рабочего агента гидроударника;
α _ эмпирический коэффициент, равный 1,32-2,64.

5. Отражатель-синхронизатор по п. 4, отличающийся тем, что он снабжен обратным гидродинамическим дросселем, размещенным в нижнем отражающем элементе.

6. Отражатель-синхронизатор по п. 4, отличающийся тем, что он снабжен клапаном, а непосредственно над верхним отражающим элементом выполнен канал, сообщающий внутреннее сечение колонны бурильных труб с затрубным пространством, в котором размещен клапан.

7. Отражатель-синхронизатор по п. 4, отличающийся тем, что канал синхронизатора-волновода выполнен криволинейным.

8. Отражатель-синхронизатор по п. 4, отличающийся тем, что роль нижнего отражающего элемента выполняет поверхность раздела внутреннего сечения колонны бурильных труб и рабочей камеры гидроударника, а верхний отражающий элемент выполнен в виде канала в бурильной трубе, сообщающего внутреннюю полость бурильных труб с затрубным пространством, причем расстояние до этого канала от нижнего отражающего элемента L₁ соответствует соотношению

где d_к - внутренний диаметр бурильной трубы;
ρ - плотность жидкого рабочего агента;
c - скорость распространения гидроударной волны в жидком рабочем агенте;
X_кл - установленный ход клапана гидроударника;
M_б - масса бойка гидроударника;
S_п - площадь сечения поршня бойка;
q - расчетный параметр расхода рабочего агента гидроударника;
α - эмпирический коэффициент, равный 1,32-2,64.

РИСУНКИ

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

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.10.2004        БИ: 30/2004

---