Устройство и способ для роторно-шпиндельного бурения скважин

Группа изобретений относится к области бурения нефтяных и газовых скважин. Устройство содержит бурильную колонну с утяжеленными бурильными трубами, шпиндель с корпусом, полым валом с отверстиями и уплотнениями, и центрирующие элементы. Между бурильной колонной и корпусом шпинделя встроен дополнительный корпус, внутри которого расположен соосно торсионный вал, присоединенный к валу шпинделя, а в верхней части встроена верхняя траверса, в которой выполнены отверстия для прохода промывочной жидкости и гнездо, а также нижняя траверса с отверстиями для прохода через них промывочной жидкости и центральным граненым отверстием, в котором размещают граненую часть торсионного вала. Между верхней траверсой и верхней частью торсионного вала установлена верхняя пружина, работающая на сжатие. В дополнительном корпусе на торсионный вал надето от одной до трех параллельно и/или последовательно работающих на сжатие пружин с их опорой на пластину с отверстиями для прохода промывочной жидкости и на буртик в нижней части торсионного вала. Над указанными пружинами установлено кольцо и патрубок для регулировки величин поджатия пружин. Возле внутренней стенки дополнительного корпуса на пластину и на буртик в нижней части торсионного вала установлена одна или две пружины, работающие параллельно или последовательно на сжатие между собой и/или совместно с пружинами, установленными на торсионном валу. Нижний конец торсионного вала выполнен с резьбой или со шлицами. Обеспечивает повышение механической скорости проходки скважины и проходки на долото путем повышения эффективности воздействия вооружения долота на породу на забое скважины, увеличения времени работы устройства и долота. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может использоваться для совершенствования технологии бурения разреза горных пород.

Наиболее близким техническим решением является устройство вращательного бурения, принятое за прототип, состоящее из бурильной колонны, долота и встроенного соосно между ними с помощью переводников корпуса, в котором размещены вал, осевая и радиальные опоры, уплотнения, пластинчатые пружины с различными направлениями навивок, соединяющие корпус и вал устройства [SU 1726722 А1, кл. Е21В 4/06, опубл. 15.04.92. Бюл. № 14].

Известен способ вращательного бурения, включающий передачу долоту момента вращения через бурильную колонну, создание осевой динамической нагрузки на долото с учетом технологических параметров процесса бурения и устройства, содержащего узел для передачи статической через полый вал и динамической нагрузок [SU 1726722 А1, кл. Е21В 4/06, опубл. 15.04.92. Бюл. № 14].

Основные недостатки устройства и способа для вращательного бурения скважин следующие.

В устройстве для одновременной передачи вращающего момента М и осевого усилия на долото G предложено применять витые спаренные пружины с разным направлением навивки, что технически сложно выполнить, в связи с ограниченным по диаметру пространством скважины. Для применения таких пружин нет точных расчетов, так как их жесткости вдоль оси, а также на кручение изменяются нелинейно. Следовательно, механизм одновременной передачи М и G малоэффективен, особенно при необходимости поддерживать определенную жесткость передачи G на долото. При этом менять место приложения G по длине (вдоль оси скважин) таких пружин технически сложно. Подбор этого типа и сочетания пружин с целью одновременного гарантированного снижения возможности и необходимости предотвращения резонансных явлений в упругом звене передачи М и G затруднен. Из опыта эксплуатации шпинделя типа ШИП с различными пружинами и пружин в железнодорожных вагонах известно, что потенциальный ресурс их на отказ при осевых усилиях более 20 кН весьма мал и ограничен во времени несколькими часами работы.

Кроме отмеченных есть и другие недостатки в известном устройстве: нет механизма для повышения перепада давления в потоке промывочной жидкости, которым можно создать необходимое гидравлическое осевое усилие G_г на вал шпинделя, когда нельзя применять струйные насадки долота, особенно при бурении с наполнителями для ликвидации поглощений в скважине.

Задача, на выполнение которой направлено заявляемое техническое решение, является разделение в устройстве для роторно-шпиндельного бурения функций передачи вращающего момента и осевой нагрузки на долото с введением новых элементов.

Технический результат состоит в повышении механической скорости проходки скважины и проходки на долото путем повышения эффективности воздействия вооружения (зубков) долота на породу на забое скважины и увеличения времени работы устройства и долота, и кратного увеличения объема выбуриваемой породы.

Указанный технический результат по объекту устройство достигается тем, что устройство для роторно-шпиндельного бурения скважин содержит бурильную колонну с утяжеленными трубами, осевую опору в форме шпинделя с корпусом, полым валом с отверстиями и уплотнениями, и центрирующие элементы, между бурильной колонной и корпусом шпинделя встроен дополнительный корпус устройства, к валу шпинделя соосно присоединен торсионный вал; в верхней части корпуса встроена верхняя траверса, в которой выполнены отверстия с регулируемыми по диаметру струйными насадками и гнездо, в верхней части дополнительного корпуса встроена нижняя траверса с отверстиями для прохода через них промывочной жидкости и центральным граненым отверстием, в котором размещена граненая часть торсионного вала; между граненой частью торсионного вала, на верхнюю часть которого установлена шайба и верхняя пружина, которая для центрирования верхним концом вставлена в гнездо верхней траверсы; в дополнительном корпусе на торсионный вал надеты от одной до трех параллельно и/или последовательно работающих на сжатие пружин с их опорой на пластину с отверстиями для прохода промывочной жидкости, над пружинами установлены кольцо и патрубок для регулировки величин поджатия пружин, а внутри дополнительного корпуса возле его стенки установлены одна или две пружины, работающие параллельно или последовательно на сжатие между собой и/или совместно с пружинами, надетыми на торсионный вал, при этом пружины установлены на пластину, патрубок и кольцо, сверху пружин размещены опорное кольцо и втулка, к нижнему центрирующему элементу присоединен переводник к долоту; пластина с отверстиями для прохода промывочной жидкости установлена на буртик или на коническую часть торсионного вала, причем нижний конец торсионного вала выполнен с резьбой или со шлицами.

Указанный технический результат по объекту способ достигается тем, что способ для роторно-шпиндельного бурения скважин включает передачу вращающего момента от бурильной колонны через нижнюю траверсу и торсионный вал и вал шпинделя (и далее долоту), при этом гидравлическое осевое усилие, образованное в потоке промывочной жидкости, передают через торсионный вал и вал шпинделя долоту, а осевую опору в шпинделе загружают осевым усилием, равным разности между весом разгруженной на забой скважины части бурильной колонны и величиной гидравлического усилия, причем остальную часть осевого усилия, необходимого для обеспечения осевого усилия на долото от бурильной колонны, передают на осевую опору шпинделя через встроенный дополнительный корпус и корпус шпинделя, а часть веса бурильной колонны передают на вал шпинделя через встроенные стальные пружины, работающие на сжатие, одна из которых размещена между верхней граненой частью торсионного вала и верхней траверсой, встроенной в дополнительный корпус выше торсионного вала, а между нижней траверсой и буртиком (уступом) нижней части торсионного вала параллельно и/или последовательно между собой и между торсионным валом и внутренней поверхностью дополнительного корпуса установлены от одной до нескольких пружин, работающих на сжатие при условии свободного протекания промывочной жидкости между торсионным валом и дополнительным корпусом, в том числе и с наполнителем в жидкости, причем часть пружин имеют опору непосредственно на торсионный вал, а при формировании компоновки бурильной колонны с утяжеленными бурильными трубами (УБТ) длину l_y определяют по формуле:

,

где с - скорость звука в материале динамически активного участка бурильного инструмента, м/с;

f₃ - частота осевых зубцовых вибраций долота с учетом деформации забоя скважины, Гц;

l_ко - длина устройства от забоя до утяжеленных бурильных труб, м.

Причинно-следственная связь между заявляемым техническим результатом и существенными признаками технического решения следующая. Повышение механической скорости обеспечивается тем, что работа устройства отличается воздействием на горную породу путем встраивания между бурильной колонной и осевой опорой-шпинделем, применяемым в забойном двигателе, дополнительного устройства. В корпусе этого устройства с торсионным валом, опирающимся на вал шпинделя, расположены несколько стальных пружин, работающих на сжатие, нижняя траверса для передачи вращающего момента М и осевого усилия G на долото, верхняя траверса, закрепленная в дополнительном корпусе устройства выше торсионного вала с возможностью улучшения регулирования гидравлической нагрузкой на вал устройства и на долото. Для регулирования гидравлической нагрузки в верхней траверсе изготовлены отверстия для встраивания струйных насадок с расчетными выходными диаметрами и гнездо для центрирования верхней пружины, опирающейся на верхнюю часть торсионного вала.

На чертеже изображено устройство для роторно-шпиндельного бурения скважин, где стрелками обозначены G_сж, G_пp, Т_п - осевые усилия от веса сжатой части бурильной колонны, от предварительно поджатых пружин и на осевую опору шпинделя; G_г, G - гидравлическое усилие на вал устройства и осевая нагрузка на долото.

Устройство для роторно-шпиндельного бурения скважин содержит бурильную колонну 1 с утяжеленными бурильными трубами (УБТ), осевую опору 2, выполненную в форме шпинделя с корпусом 3, полым валом 4 с отверстиями 5 и уплотнениями 6, и центрирующие элементы 7 (нижнее, среднее и верхнее). Между бурильной колонной 1 и корпусом 3 шпинделя встроен дополнительный корпус 8 устройства. Дополнительный корпус 8 устройства жестко соединен с корпусом 3 шпинделя. Внутри дополнительного корпуса 8 расположен соосно торсионный вал 9, присоединенный к валу 4 шпинделя. В верхней части дополнительного корпуса 8 встроена верхняя траверса 10, в которой выполнены отверстия с установкой в них регулируемых по диаметру струйных насадок 11 и гнездо 12. В верхней части дополнительного корпуса 8 встроена, например, с применением резьбы, нижняя траверса 13 с отверстиями 14 для прохода через них промывочной жидкости, и выполнено центральное граненое отверстие 15, в котором размещена граненая часть 16 торсионного вала 9. Нижняя траверса 13 зафиксирована контргайкой 17. Между граненой частью 16 торсионного вала 9 на его верхнюю часть 18, установлены шайба 19 и верхняя стальная пружина 20, которая для центрирования верхним концом вставлена в гнездо 12. В дополнительном корпусе 8 на торсионный вал 9 надето от одной до трех параллельно и/или последовательно работающих на сжатие стальных пружин 21 с их опорой на пластину 22, имеющую отверстия для прохода промывочной жидкости. Над пружинами 21 установлены кольцо 23 и патрубок 24 для регулировки величин поджатая пружин 21. Внутри дополнительного корпуса 8 возле его внутренней стенки установлены одна или две стальные пружины 25, работающие параллельно или последовательно на сжатие между собой и/или совместно с пружинами 21. Стальные пружины 25 установлены на пластину 22, патрубок 26 и кольцо 27. Сверху стальных пружин 25 расположены опорное кольцо 28 и втулка 29. К нижнему центрирующему элементу 7 присоединено через переводник 30 долото. Пластина 22 установлена на буртик 31 или на коническую часть 32 торсионного вала 9. Нижний конец 32 торсионного вала 9 выполнен с резьбой или со шлицами.

Способ бурения заключается в раздельной передаче вращающего момента и осевой нагрузки от бурильной колонны 1 с УБТ к валу 4 шпинделя и долоту с использованием предлагаемого устройства, в расширении возможностей регулирования параметров вибраций буровой колонны 1 и величинами гидравлического усилия G_г и длины утяжеленных бурильных труб (УБТ).

Вращающий момент М и осевая нагрузка G от бурильной колонны 1 с УБТ к валу 4 шпинделя и далее через переводник 30 к долоту передают через торсионный вал 9 и нижнюю траверсу 13. Торсионный вал 9 и вал 4 шпинделя устройства нагружают осевым гидравлическим усилием G_г, сформированным путем создания перепадов давления в промывочном узле долота и в регулируемых по поперечной площади отверстиях для прохода промывочной жидкости верхней траверсы 10. Компенсирующие динамические и статические осевые усилия (G_сж, G_пp, G_г) от бурильной колонны 1 с УБТ к валу 4 шпинделя передают через стальные пружины 20, 21, 25 с их расчетным количеством и проектными жесткостями при подаче бурильной колонны 1 к забою. Верхняя пружина 20 передает осевые усилия на верхнюю часть 18 торсионного вала 9, а пружина 25 и/или пружина 21 и/или - на нижнюю часть 32 торсионного вала 9.

В результате вращающий момент М от бурильной колонны 1 через нижнюю траверсу 13 и торсионный вал 9 передается валу шпинделя 4 (и долоту). Гидравлическое осевое усилие G_г, созданное в потоке промывочной жидкости, передается долоту через торсионный вал 9 и полый вал 4 шпинделя, а осевая опора 2 в шпинделе загружается осевым усилием Т_п, равным разности между весом разгруженной на забой скважины части бурильной колонны 1 и величиной гидравлического усилия G_г. Усилие G_сж от бурильной колонны 1 на осевую опору 2 шпинделя передают через встроенный дополнительный корпус 8 и корпус 3 шпинделя. При этом часть веса бурильной колонны 1 передается на вал 4 шпинделя через пружины 20, 21, 25, одна из них 20 расположена между верхней граненой частью 16 торсионного вала 9 и верхней траверсой 10, а между нижней траверсой 13 и буртиком (уступом) 31 нижней части торсионного вала 9 установлены от одной до нескольких параллельно и/или, последовательно действующих пружин 21, 25 при условии свободного протекания между валом 9 и корпусом 8 промывочной жидкости, в том числе и с наполнителем в ней.

При формировании компоновки бурильной колонны 1 с утяжеленными бурильными трубами длину ее нижней утяжеленной части (УБТ) l_y определяют по формуле:

,

где с - скорость звука в материале динамически активного участка бурильного инструмента, м/с;

f₃ - частота осевых вибраций зубцов долота с учетом деформации забоя скважины, Гц;

l_ко - длина устройства от забоя до утяжеленных бурильных труб, м.

Пример расчета длины нижней утяжеленной части труб 1_у.

Дано: с=5100 м/с; f₃=30 Гц; l_ко=5 м.

Находим:

l_y=(5100/4×30)-5=36 м, т.е. три УБТ по 12 м.

Таким образом, предлагаемые устройство и способ позволяют сократить длину утяжеленных бурильных труб и регулировать осевые и гидравлические усилия на долото. Следовательно, увеличивается время работы долота и повышается механическая скорость бурения.

1. Устройство для роторно-шпиндельного бурения, содержащее бурильную колонну с утяжеленными бурильными трубами, осевую опору, выполненную в форме шпинделя с корпусом, полым валом с отверстиями и уплотнениями, и центрирующие элементы, отличающееся тем, что между бурильной колонной и корпусом шпинделя встроен дополнительный корпус устройства, внутри дополнительного корпуса расположен соосно торсионный вал, присоединенный к валу шпинделя, в верхней части дополнительного корпуса встроена верхняя траверса, в которой выполнены отверстия с регулируемыми по диаметру струйными насадками для прохода промывочной жидкости и гнездо, в верхней части дополнительного корпуса встроена нижняя траверса с отверстиями для прохода через них промывочной жидкости и центральным граненым отверстием, в котором размещают граненую часть торсионного вала, между верхней траверсой и верхней частью торсионного вала установлена верхняя пружина, работающая на сжатие, в дополнительном корпусе на торсионный вал надето от одной до трех параллельно и/или последовательно работающих на сжатие пружин с их опорой на пластину с отверстиями для прохода промывочной жидкости и на буртик в нижней части торсионного вала, над указанными пружинами установлено кольцо и патрубок для регулировки величин поджатия этих пружин, а внутри дополнительного корпуса возле его внутренней стенки установлена одна или две пружины, работающие параллельно или последовательно на сжатие между собой и/или совместно с пружинами, установленными на торсионном валу, при этом пружины, которые установлены возле дополнительного корпуса также установлены на пластину и на буртик в нижней части торсионного вала, причем нижний конец торсионного вала выполнен с резьбой или со шлицами.

2. Способ для роторно-шпиндельного бурения, включающий передачу вращательного момента и осевого усилия на долото, отличающийся тем, что используют устройство по п.1, при этом вращающий момент от бурильной колонны с УБТ передают валу шпинделя и долоту через нижнюю траверсу, торсионный вал и переводник, гидравлическое осевое усилие G_г, созданное в потоке промывочной жидкости, передают через торсионный вал и вал шпинделя и загружают осевую опору в шпинделе осевым усилием Т_п, равным разности между весом разгруженной на забой скважины части бурильной колонны с УБТ и величиной усилия G_г, при этом остальную часть осевого усилия, необходимого для обеспечения осевого усилия G на долото от бурильной колонны, передают на осевую опору шпинделя через встроенный дополнительный корпус и корпус шпинделя, при чем часть веса бурильной колонны передают на вал шпинделя через стальные пружины, работающие на сжатие, а при формировании компоновки бурильной колонны с УБТ длину ее нижней утяжеленной части 1_у определяют по формуле

где с - скорость звука в материале динамически активного участка бурильного инструмента, м/с;
f₃ - частота осевых вибраций зубьев долота с учетом деформации забоя скважины, Гц;
l_ко - длина устройства от забоя до утяжеленных бурильных труб, м.