Способ автоматизации подачи долота и устройство для реализации этого способа

Группа изобретений относится к области бурового оборудования и может применяться в нефтяной, газовой и горной промышленности для автоматизации подачи долота при бурении скважин с промывкой. Обеспечивает создание и использование перепадов давления в циркуляционной системе, облегчение учета работы буровой колонны для поддержания заданных забойных параметров. Устройство автоматизации подачи долота содержит корпус, соединенный в верхней части с переводником, который в свою очередь соединен с узлом клапана, у которого выполнены проточные отверстия, в нижней части корпус разъемно соединен со штоком-переводником, который фиксируется гайкой, а между корпусом и штоком-переводником выполнена кольцевая полость, в которой установлена диафрагма, причем кольцевая полость соединяется с углублением в корпусе отверстием, над которым в углублении расположен обратный клапан. Способ автоматизации подачи долота включает использование циркуляционной системы буровой для определения осевой нагрузки на долото. Над долотом устанавливается устройство реализации способа автоматизации подачи долота, осевую нагрузку на долото при бурении с промывкой определяют по перепаду давления в циркуляционной системе с изменением осевой нагрузки в нижней части компоновки буровой колонны, а именно, при отсутствии осевой нагрузки на долото открываются проточные отверстия узла клапана устройства реализации способа автоматизации подачи долота, а при создании осевой нагрузки на долото частично закрываются проточные отверстия узла клапана в результате перемещения вверх штока-переводника, причем давление в циркуляционной системе фиксируется манометром на буровой. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области бурового оборудования и может применяться в нефтяной, газовой и горной промышленности для автоматизации подачи долота при бурении скважин с промывкой.

Известен регулятор подачи типа РПДЭ-3, содержащий электрический датчик, пульт управления, станцию управления, генератор, двигатель постоянного тока, редуктор (Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кардыш В.Г. Буровые машины и механизмы. М.: Недра, 1981, с.315-316).

Недостатком регулятора подачи является то, что величина подачи бурового инструмента (буровая колонна, утяжеленная бурильная труба, долото и т.д.), выполняемой сверху бурильщиком или автоматом, с глубиной погружения долота в породу не соответствует, так как колонна бурильных труб не является абсолютно жесткой системой и в зависимости от возникающих в ней усилий испытывает упругие деформации, компенсирующие разность между подачей и глубиной погружения долота. Таким образом, погружение долота всегда меньше подачи инструмента, и в то же время любое погружение долота происходит только в результате подачи инструмента. При этом подача инструмента, осуществляемая бурильщиком на поверхности, должна быть плавной, непрерывной и обеспечивающей такое удельное давление долота на забой, которое превышало бы сопротивляемость горных пород разрушению и обусловливало наиболее эффективную скорость их разбуривания. Регуляторы подачи работают совместно с индикаторами веса, например ГИВ-6. Индикаторы веса определяют нагрузку на долото с поверхности земли с учетом веса колонны бурильных труб. Разница веса между колонной бурильных труб и нагрузкой, которую показывает индикатор веса, является нагрузкой на долото. Такая разница в показаниях выдает большую погрешность, которая влияет на скорость бурения, расход бурового раствора, т.е. бурение горных пород происходит интуитивно, из-за чего снижаются показатели бурения и происходят большинство аварий, связанных с прихватом бурового инструмента. Недостатками регулятора подачи являются также большие металлоемкость и габариты.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание и использование перепадов давления в циркуляционной системе, облегчение учета работы буровой колонны для поддержания заданных забойных параметров.

Поставленная техническая задача решается способом автоматизации подачи долота, включающим использование циркуляционной системы буровой для определения осевой нагрузки на долото.

Новым является то, что над долотом устанавливается устройство реализации способа автоматизации подачи долота, осевую нагрузку на долото при бурении с промывкой определяют по перепаду давления в циркуляционной системе с изменением осевой нагрузки в нижней части компоновки буровой колонны, а именно, при отсутствии осевой нагрузки на долото открываются проточные отверстия узла клапана устройства реализации способа автоматизации подачи долота, а при создании осевой нагрузки на долото частично закрываются проточные отверстия узла клапана в результате перемещения вверх штока-переводника, причем давление в циркуляционной системе фиксируется манометром на буровой.

Требуемая техническая задача в части устройства для реализации заявляемого способа достигается устройством реализации способа автоматизации подачи долота, содержащим корпус.

Новым является то, что корпус в верхней части соединен с переводником, который в свою очередь соединяется с узлом клапана, у которого выполнены проточные отверстия, в нижней части корпус разъемно соединяется со штоком-переводником, который фиксируется гайкой, а между корпусом и штоком-переводником выполнена кольцевая полость, в которой установлена диафрагма, причем кольцевая полость соединяется с углублением в корпусе отверстием, над которым в углублении расположен обратный клапан.

Новым является также то, что герметичность стыка между корпусом и штоком-переводником, а также между штоком-переводником и узлом клапана обеспечивают уплотнительные сальники.

Требуемая техническая задача обеспечена наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемый способ и реализующее его устройство подачи долота) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами предполагает соответствие заявляемых объектов критериям изобретения.

На графических материалах представлены общая схема заявляемого способа автоматизации подачи долота (фиг.1), устройство реализации способа автоматизации подачи долота (фиг.2), узел клапана устройства реализации способа автоматизации подачи долота при отсутствии осевой нагрузки (фиг.3) и при созданной осевой нагрузке (фиг.4).

Устройство реализации способа автоматизации подачи долота 1 (фиг.1) входит в компоновку буровой колонны и устанавливается между долотом 2 и утяжеленной бурильной трубой 3 при роторном способе бурения, при турбинном способе бурения - между долотом 2 и забойным двигателем 4, а в случае бурения горизонтальных скважин - между долотом 2 и бурильными трубами 5. Для проведения процесса бурения служат буровой насос 6, обвязка 7, буровой шланг 8, вертлюг 9, ведущая труба 10, бурильные трубы 5, манометры 11, а также прочие механизмы и узлы, не показанные на фигурах.

Устройство реализации способа автоматизации подачи долота 1 (фиг.1) содержит корпус 12 (фиг.2), во внутреннюю полость которого входит шток-переводник 13 и фиксируется гайкой 14, при этом шток-переводник 13 может перемещаться внутри корпуса 12 относительно друг друга в определенном диапазоне, где максимальное смещение штока-переводника 13 вниз ограничивается гайкой 14. Переводник 15 в сборе с узлом клапана 16 устанавливается на верхнею часть штока-переводника 13 и соединяется с корпусом 12 резьбой. Конфигурация корпуса 12 и штока-переводника 13 в сборе создает кольцевую полость 17 по окружности между штоком-переводником 13 и корпусом 12. Во внешней части корпуса 12 имеется углубление 18 с обратным клапаном 19 и отверстием 20, соединяющимся с данной кольцевой полостью 17, где установлена диафрагма 21, куда через обратный клапан 19 закачивается газ или аэрированная жидкость под давлением, пропорционально ожидаемой осевой нагрузке на долото 2. Диафрагма 21 представляет собой кольцевую камеру из резины или другого пластичного материала. Герметичность стыка между корпусом 12 и штоком-переводником 13, а также между штоком-переводником 13 и узлом клапана 16 обеспечивают уплотнительные сальники 22. Корпус 12 и шток-переводник 13 соединяются разъемно. Как показано на фиг.2, один из примеров разъемного соединения, на штоке-переводнике 13 выполняются внешние зубцы 23, а на корпусе 12 - внутренние зубцы 24. В узле клапана 16 выполнены проточные отверстия 25 для прохождения бурового раствора к долоту 2. На фигурах 3 и 4 стрелками показано направление движения бурового раствора.

Устройство реализации способа автоматизации подачи долота реализует заявляемый способ следующим образом.

Буровой раствор (фиг.1) подается буровым насосом 6 через обвязку 7, буровой шланг 8, вертлюг 9, ведущую трубу 10 в бурильные трубы 5 и далее к долоту 2. Устройство реализации способа автоматизации подачи долота 1 приводится во вращение от забойного двигателя 4 при турбинном бурении скважины или от утяжеленной бурильной трубы 3 при роторном способе бурения, а в случае бурения горизонтальных скважин вращение передается от бурильных труб 5.

Корпус 12 (фиг.2) передает вращение штоку-переводнику 13 и далее на долото 2. При отсутствии осевой нагрузки (фиг.3) на долото 2, т.е. с давлением P₁, открываются проточные отверстия 25 узла клапана 16 устройства подачи долота. При создании осевой нагрузки на долото 2 (фиг.2) с давлением P₂ (фиг.4) перемещается шток-переводник 13 вверх вдоль внутренней части корпуса 12 и узла клапана 16. При перемещении штока-переводника 13 вверх вовнутрь корпуса 12 объем кольцевой полости 17 уменьшается и происходит сжатие газа в диафрагме 21 и создается амортизирующий эффект, при этом верхняя часть штока-переводника 13 поднимается в узел клапана 16 и частично перекрывает проточные отверстия 25 с уменьшением проточной площади, за счет этого в переводнике 15 при постоянной подаче промывочной жидкости увеличивается давление P₂, которое фиксируется на поверхности манометром 11 (фиг.1), а в нижней части буровой колонны подобно домкрату создается сосредоточенная нагрузка на забой.

По мере разрушения и вымывания породы из-за повышенного давления в кольцевой полости 17 (фиг.2) шток-переводник 13 выдвигается вниз и увеличивает площадь проточных отверстий 25 в узле клапана 16, при этом в переводнике 15 уменьшается давление, которое фиксируется буровым манометром 11 (фиг.1). Уменьшение давления в циркуляционной системе буровой означает смещение штока-переводника 13 (фиг.2) в узле клапана 16 вниз с увеличением площади проточных отверстий 25 и необходимость спуска буровой колонны для создания необходимой осевой нагрузки на долото 2. Со спуском буровой колонны и созданием осевой нагрузки на долото 2 вышеуказанный процесс повторяется. В связи с перепадом давления в узле клапана 16 в буровой колонне происходит «эффект домкрата», т.е. гидравлическая сила стремится растянуть колонну бурильных труб, при этом происходит сосредоточенная нагрузка на забой, благодаря чему увеличивается механическая скорость бурения.

Благодаря этому техническому решению обеспечивается облегчение учета работы буровой колонны для поддержания заданных забойных параметров, становится возможным определение наличия нагрузки на долото, создаваемое в процессе бурения скважин непосредственно на забое. Данный способ и устройство позволяют определять наличие осевой нагрузки на долото на всех профилях скважины, снизить расход долот на бурение скважины, сократить ремонтные работы бурового оборудования, уменьшить износ бурильных труб, талевого каната, тормозных колодок.

Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого способа автоматизации подачи долота и устройства для реализации этого способа обеспечивает достижение требуемого технического результата и соответствует критериям "изобретения".

1. Способ автоматизации подачи долота, включающий использование циркуляционной системы буровой для определения осевой нагрузки на долото, отличающийся тем, что над долотом устанавливается устройство реализации способа автоматизации подачи долота, осевую нагрузку на долото при бурении с промывкой определяют по перепаду давлений в циркуляционной системе с изменением осевой нагрузки в нижней части компоновки буровой колонны, а именно при отсутствии осевой нагрузки на долото открываются проточные отверстия узла клапана устройства реализации способа автоматизации подачи долота, а при создании осевой нагрузки на долото частично закрываются проточные отверстия узла клапана в результате перемещения вверх штока-переводника, причем давление в циркуляционной системе фиксируется манометром на буровой.

2. Устройство реализации способа автоматизации подачи долота по п.1, содержащее корпус, отличающееся тем, что корпус в верхней части соединен с переводником, который, в свою очередь, соединяется с узлом клапана, у которого выполнены проточные отверстия, в нижней части корпус разъемно соединяется со штоком-переводником, который фиксируется гайкой, а между корпусом и штоком-переводником выполнена кольцевая полость, в которой установлена диафрагма, причем кольцевая полость соединяется с углублением в корпусе отверстием, над которым в углублении расположен обратный клапан.

3. Устройство реализации способа автоматизации подачи долота по п.2, отличающееся тем, что герметичность стыка между корпусом и штоком-переводником, а также между штоком-переводником и узлом клапана обеспечивают уплотнительные сальники.