Роторно-мультипликаторный бур

Изобретение относится к горной технике, в частности к устройствам, предназначенным для бурения скважин на высоких частотах вращения породоразрушающего инструмента (свыше 700 мин^-1). Технический результат достигается тем, что в роторно-мультипликаторном буре, содержащем установленный на поверхности привод, колонну бурильных труб, заякоривающее устройство, установленное с возможностью взаимодействия не менее чем одной своей деталью со стенками скважины, мультипликатор, например синусошариковый, и породоразрушающий инструмент, жестко скрепленный с концом ведомого вала мультипликатора, согласно изобретению колонна бурильных труб связана с ведущим валом мультипликатора поступательной парой, а с заякоривающим устройством - вращательной парой, при этом заякоривающее устройство выполнено с возможностью взаимодействия по крайней мере одной из его деталей с корпусом мультипликатора, что может быть реализовано посредством жесткой связи. Причем либо основание для пружин заякоривающего устройства жестко скреплено с корпусом мультипликатора, либо распирающая башмаки часть заякоривающего устройства жестко скреплена с корпусом мультипликатора. Применение роторно-мультипликаторного бура с алмазным породоразрушающим инструментом позволит повысить в 1,5-2,0 раза механическую скорость бурения, так как частоты вращения бурильных труб при бурении глубоких (до 1000 м и более) скважин не превышают 300-500 мин^-1. При этом линейная скорость резания составляет всего 1-2 м/сек и менее, что, как известно, мало для алмазного инструмента (рекомендуемая - не менее 5 м/сек). Применение роторно-мультипликаторного бура позволит вести бурение на режимах, близких к оптимальным. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к горной технике, в частности к устройствам, предназначенным для бурения скважин на высоких частотах вращения породоразрушающего инструмента (свыше 700 мин^-1).

Известно устройство, предназначенное для изменения частоты вращения долот - синусошариковый редуктор для забойных двигателей (а.с. №960412, Е 21 В 4/00, 23.09.82), которое включает в себя невращающуюся колонну бурильных труб, присоединенную своей нижней частью к забойному двигателю с синусошариковым редуктором, к водилу которого жестко присоединен породоразрушающий инструмент.

Недостаток аналога: из-за малых частот вращения породоразрушающего инструмента (например, алмазного диаметром 76 или 59 мм) мала и механическая скорость бурения.

В качестве наиболее близкого аналога - прототипа - принято устройство для бурения скважин (а.с. SU №866090, Е 21 В 4/00, опубликовано в 1981 г.), представляющее собой роторно-мультипликаторный бур. Устройство по прототипу снабжено дополнительным приводом, соединенным с подвижной приводной головкой, у которой корпус жестко соединен с наружной колонной труб, а шпиндель посредством шлицов с внутренней колонной труб, при этом в нижней части бурильной колонны установлен мультипликатор планетарного дифференциала с переходной головкой, у которого венцовая шестерня жестко соединена с наружной колонной труб, а сателлиты посредством водила со шлицами и шлицевого зацепления - с внутренней колонной труб.

Общими признаками прототипа, совпадающими с заявляемым изобретением, являются установленный на поверхности привод, заякоривающее устройство, выполненное с возможностью взаимодействия с корпусом мультипликатора, ведущий вал которого связан поступательной парой с колонной бурильных труб, которая в свою очередь связана с заякоривающим устройством вращательной парой, породоразрушающий инструмент, жестко скрепленный с концом ведомого вала мультипликатора.

Недостатком известного устройства является то, что скорость бурения при использовании алмазного породоразрушающего инструмента недостаточна, так как планетарный мультипликатор не сможет передавать необходимый крутящий момент из-за наличия таких ненадежных по прочностным характеристикам элементов, как зубцы шестерен. Кроме этого, известное устройство довольно сложное ввиду необходимости применения двойной колонны бурильных труб и дополнительного привода.

Технический результат изобретения заключается в повышении производительности бурения при использовании алмазного породоразрушающего инструмента за счет увеличения частоты вращения ведомого вала с породоразрушающим инструментом с одновременным более интенсивным поступательным движением по оси скважины.

Технический результат достигается тем, что в роторно-мультипликаторном буре, содержащем установленный на поверхности привод, заякоривающее устройство, выполненное с возможностью взаимодействия с корпусом мультипликатора, ведущий вал которого связан поступательной парой колонной бурильных труб, которая в свою очередь связана с заякоривающим устройством вращательной парой, породоразрушающий инструмент, жестко скрепленный с концом ведомого вала мультипликатора, согласно изобретению заякоривающее устройство выполнено в виде распирателя, нижняя часть которого имеет конусную форму с возможностью размещения и осевого перемещения на ней башмаков для взаимодействия со стенками скважины, при этом мультипликатор выполнен синусошариковым.

При этом пружины заякоривающего устройства, связанные с башмаками, выполнены в форме лент цилиндра, образующихся при продольном разрезании трубы, нижняя не разрезанная часть которой является основанием пружин, с которым жестко соединен корпус мультипликатора.

Связь колонны бурильных труб с ведущим валом мультипликатора поступательной парой обеспечивает работу синусошариковой передачи для повышения частоты вращения ведомого вала с породоразрушающим инструментом. Связь колонны бурильных труб с заякоривающим устройством вращательной парой позволяет посредством детали заякоривающего устройства, взаимодействующей со стенками скважины, удерживать обратный (реактивный) момент, передавая одну часть осевого усилия от бурильной колонны на стенки скважины, а другую через корпус мультипликатора - на породоразрушающий инструмент.

Выполнение заякоривающего устройства с возможностью взаимодействия по крайней мере одной из его деталей с корпусом мультипликатора позволяет передавать возникающий обратный момент через детали заякоривающего устройства на стенки скважины.

Выполнение жесткой связи одной из деталей заякоривающего устройства с корпусом мультипликатора обеспечивает достаточно надежную передачу обратного момента на стенки скважины. Другими словами, конструктивное выполнение заявляемого устройства позволяет возникающий при бурении обратный момент передавать от забоя на стенки скважины, а осевое усилие от бурильной колонны передавать на забой. Такое перераспределение усилий позволяет кратно увеличить частоту вращения породоразрушающего инструмента по сравнению с бурильной колонной.

Применение роторно-мультипликаторного бура с алмазным породоразрушающим инструментом позволит повысить в 1,5-2,0 раза механическую скорость бурения. Объясняется это следующим. Известно, что частоты вращения бурильных труб при бурении глубоких (до 1000 м и более) скважин не превышают 300-500 мин^-1 (при больших значениях этой величины бурильные трубы ломаются чаще, имеют больший износ и бурение происходит при существенно повышенных расходах мощности на преодоление сопротивлений). При этом линейная скорость резания составляет всего 1-2 м/сек и менее, что, как известно, мало для алмазного инструмента (рекомендуемая скорость резания не менее 5 м/сек). Применение роторно-мультипликаторного бура позволит вести бурение на режимах, близких к оптимальным.

Отличием от прототипа является то, что заякоривающее устройство выполнено в виде распирателя, нижняя часть которого имеет конусную форму с возможностью размещения и осевого перемещения на ней башмаков для взаимодействия со стенками скважины, при этом мультипликатор выполнен синусошариковым. Это доказывает соответствие изобретения критерию «новизна».

Известно в технике бурения использование поступательной пары для передачи осевых усилий в процессе бурения породоразрушающему инструменту и вращательной пары для передачи радиальных распорных усилий на стенки скважины для фиксации корпуса отклонителя при направленном бурении (Зиненко В.П. Направленное бурение. Учеб. пособие для вузов. - М.: Недра, 1990. - С.91-97).

В заявленной совокупности признаков достигается такое взаимодействие поступательной и вращательной пар, при котором ведомый вал с породоразрушающим инструментом вращается с большей частотой вращения, чем бурильная колонна. При этом заякоривающее устройство помимо своей традиционной функции заякоривания о стенки скважины выполняет благодаря связи с корпусом мультипликатора функцию фиксации возникающего при бурении реактивного момента на стенки скважины с одновременным продвижением по оси скважины. Это дает увеличение частоты вращения ведомого вала с породоразрушающим инструментом, что позволяет увеличить механическую скорость бурения в 1,5-2,0 раза по сравнению с прототипом и вести высокочастотное алмазное бурение на режимах, близких к оптимальным.

Анализ уровня техники подтверждает, что неизвестно влияние признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемого изобретения (поступательной и вращательной пар), на увеличение частоты вращения ведомого вала с породоразрушающим инструментом с одновременным продвижением по оси скважины и, следовательно, на повышение скорости бурения при использовании алмазного породоразрушающего инструмента.

Из уровня техники не выявлены решения, имеющие признак, совпадающий с отличительным признаком, касающимся выполнения заякоривающего устройства с возможностью взаимодействия по крайней мере одной из его деталей с корпусом мультипликатора.

Таким образом, заявленное изобретение явным образом не следует для специалиста из уровня техники и соответствует критерию «изобретательский уровень».

На чертеже изображена схема устройства роторно-мультипликаторного бура.

Роторно-мультипликаторный бур содержит установленный на поверхности привод (на чертеже не показан), расположенную в скважине 1 колонну бурильных труб 2, заякоривающее устройство клинового принципа действия и выполненное с возможностью взаимодействия не менее чем одной своей деталью со стенками скважины 1, состоящее из распирателя 3, нижняя часть которого выполнена в форме конуса, башмаков 4, пружин 5 и трубы 6, которая является основанием пружин 5. Пружины 5 заякоривающего устройства могут быть выполнены в форме лент цилиндра, получающихся при продольном разрезании трубы, а труба 6 - оставшаяся неразрезанная часть трубы. Башмаки 4 для возможности осевого перемещения могут быть выполнены в виде салазок или снабжены вращающимися роликами (на чертеже не показаны).

Синусошариковый мультипликатор бура состоит из корпуса 7, ведущего вала 8 (водило синусошариковой передачи), ведомого вала 9 и узла синусошарикового зацепления 10, в котором кинематически связаны между собой корпус 7, ведущий 8 и ведомый 9 валы.

Породоразрушающий инструмент 11, например алмазный, жестко скреплен с концом ведомого вала 9 мультипликатора. Между ведомым валом 9 и корпусом 7 мультипликатора установлены уплотнение 12 и подшипник 13 для передачи осевых усилий с корпуса 7 на ведомый вал 9. Между ведущим валом 8 и ведомым валом 9 для предотвращения осевого перемещения между собой вышеуказанных элементов мультипликатора установлен подшипник 14 с уплотнением 15. Для удержания смазки в мультипликаторе и предотвращения попадания бурового раствора внутрь мультипликатора между ведущим 8 и ведомым 9 валами установлено уплотнение 16. Бурильная труба 2 соединена с ведущим валом 8 подвижным профильным соединением 17 (например, шлицевым), представляющим собой поступательную пару, с помощью которой соединены бурильная колонна 2 и ведущий вал 8 мультипликатора. Для исключения попадания шлама из бурового раствора в подвижное профильное соединение 17 между бурильной трубой 2 и ведущим валом 8 предусмотрено уплотнение 18. Корпус 7 жестко соединен с трубой-основанием пружин 6 резьбовым соединением 19. Нижнее 20 и верхнее 21 уплотнения для подшипника 22, передающего часть осевого усилия от бурильной трубы 2 к распирателю 3; подшипник 22 и есть конкретная реализация вращательной пары, связывающей заякоривающее устройство с колонной бурильных труб.

Устройство работает следующим образом.

Осевая нагрузка от колонны бурильных труб 2 через подшипник 22 передается на башмаки 4 и уравновешивается двумя группами сил: первая группа сил действует на башмаки со стороны породоразрушающего инструмента 11, то есть передается от алмазного породоразрушающего инструмента к башмакам через подшипник 13, корпус 7, резьбу 19, трубу-основание 6 и пружины 5; вторая группа сил приложена к башмакам 4 со стороны стенок скважины 1.

Из условий равновесия ясно, что при большей осевой нагрузке, передаваемой башмакам 4 от колонны бурильных труб, будут и большими силы, направленные на внедрение элементов башмаков 4 в стенки скважины 1. Это и позволяет передать через силы сцепления или силы сопротивления резанию возникающий при бурении реактивный момент на стенки скважины 1, что в свою очередь обуславливает кратное увеличение частоты вращения ведомого вала 9 с породоразрушающим инструментом 11 с одновременным более интенсивным движением по оси скважины 1.

1. Роторно-мультипликаторный бур, содержащий установленный на поверхности привод, заякоривающее устройство, выполненное с возможностью взаимодействия с корпусом мультипликатора, ведущий вал которого связан поступательной парой с колонной бурильных труб, которая в свою очередь связана с заякоривающим устройством вращательной парой, породоразрушающий инструмент, жестко скрепленный с концом ведомого вала мультипликатора, отличающийся тем, что заякоривающее устройство выполнено в виде распирателя, нижняя часть которого имеет конусную форму с возможностью размещения и осевого перемещения на ней башмаков для взаимодействия со стенками скважины, при этом мультипликатор выполнен синусошариковым.

2. Роторно-мультипликаторный бур по п.1, отличающийся тем, что заякоривающее устройство включает связанные с башмаками пружины, выполненные в форме лент цилиндра, образующихся при продольном разрезании трубы, нижняя неразрезанная часть которой является основанием пружин.

3. Роторно-мультипликаторный бур по п.2, отличающийся тем, что корпус мультипликатора жестко соединен с трубой-основанием пружин заякоривающего устройства.