БУРОВОЕ ДОЛОТО С САМОРЕГУЛИРУЮЩЕЙСЯ НАГРУЗКОЙ НА ДОЛОТО
DRILLING BIT WITH BIT LOAD SELF-REGULATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области технологии нефтегазодобычи и относится к буровому инструменту, в частности, к буровому долоту с саморегулирующейся нагрузкой на долото (WSADB).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
С развитием нефтегазопоисковых работ, направленных на более глубокие и твердые пласты, требования к бурению также повышаются, и все больше внимания уделяется увеличению скорости проходки (ROP). Наиболее эффективным способом увеличения ROP является предварительное ослабление напряжения в горных породах, что изменяет поле напряжений пласта, в котором осуществляется бурение. В настоящее время отечественные и иностранные эксперты, и ученые реализуют этот способ двумя методами. Первый метод заключается в ослаблении напряжения в пласте, основанного на гидравлической энергии бурового раствора, который представлен в виде импульсной струи высокого давления, кавитационной импульсной струи, импульсной струи с абразивными добавками и т.д. Метод ослабления напряжения в пласте, основанного на гидравлической энергии, требует добавления специального инструмента, установленного над буровым долотом, который в определенной степени увеличивает потребление энергии бурового раствора. В то же время, он также должен учитывать безопасность и надежность установленных специальных инструментов. Второй метод заключается в изменении поля напряжений во время разрушения горной породы путем изменения формы контакта между буровым долотом и забоем скважины, что представлено комбинированным долотом от Kymera и буровым долотом для расширения скважины во время бурения. Путем изменения формы контакта между буровым долотом и забоем скважины, что ослабляет напряжение пласта, в котором осуществляют бурение, цель снижения напряжения пласта вблизи забоя скважины может быть достигнута всего лишь путем оптимизации конструкции бурового долота, и это имеет большие перспективы развития. Тем не менее в процессе бурения в промежуточных слоях с помощью комбинированного долота от Kymera и бурового долота для расширения скважины во время бурения направляющее долото склонно к сплющиванию или увеличенному износу и т.д. из-за отсутствия способности автоматически регулировать распределение нагрузки на долото (WOB), что приводит к уменьшению срока его службы, и, следовательно, наилучший эффект увеличения скорости такого бурового долота не может быть достигнут.
В опубликованном патенте КНР на изобретение № CN105443041A описано буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото и, в частности, описаны следующие характерные признаки: буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото содержит соединительный элемент, короткий соединитель с возможностью прохода текучей среды и передачи механической силы, буровой расширитель, пружинный аккумулятор механической силы и направляющее долото; соединительный элемент, короткий соединитель с возможностью прохода текучей среды и передачи механической силы и направляющее долото соединены в узел в сборе посредством резьбы; буровой расширитель расположен между соединительным элементом и направляющим долотом и установлен снаружи короткого соединителя с возможностью прохода текучей среды и передачи механической силы; может быть реализовано осевое относительное перемещение между буровым расширителем и узлом в сборе, причем указанный узел в сборе состоит из бурового расширителя и соединительного элемента, короткого соединителя с возможностью прохода текучей среды и передачи механической силы и направляющего долота; пружинный аккумулятор механической силы установлен посередине короткого соединителя с возможностью прохода текучей среды и передачи механической силы, который выполнен с возможностью сохранения упругого усилия и восстановления относительного положения между буровым расширителем и узлом в сборе. Преимуществами изобретения являются простой принцип действия и конструкция, широкий диапазон применений, а также возможность настройки для обеспечения быстрого бурения с небольшой WOB при осуществлении прямого бурения с регулированием отклонения бурения и улучшения эффективности бурения вертикальных скважин в пласте, который легко образует наклон. Способ бурения полностью идентичен традиционному бурению, что способствует популяризации и применению.
В опубликованном патенте КНР на изобретение № CN105317377A описано центральное буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото и, в частности, описаны следующие характерные признаки: центральное буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото содержит буровой расширитель, пружинный регулятор веса, узел шунтирования и передачи механической силы и направляющее долото; направляющее долото и узел шунтирования и передачи механической силы соединены в один блок, который установлен в отверстии передачи осевого крутящего момента бурового расширителя, причем направляющее долото выступает из коронки бурового расширителя; пружинный регулятор веса расположен между верхней частью узла шунтирования и передачи механической силы и нижним концом соединительного элемента бурового расширителя; буровой расширитель может быть размещен в виде одной или нескольких ступеней. Преимуществами изобретения являются простой принцип действия и конструкция, широкий диапазон применений и возможность применения со всеми типами пластов с лучшим эффектом применения в промежуточном пласте; оно может применяться с генератором импульсной струи для дальнейшего улучшения СП; в процессе бурения эксплуатация идентична традиционному бурению и отсутствует особое требование к наземному оборудованию, бурильной колонне, типу долота, что является преимущественным для популяризации бурового долота и для поданной заявки.
Буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото, описанное в двух вышеупомянутых патентных заявках, использует направляющее долото, которое несет частичную WOB для разрушения пласта и предварительного бурения скважины небольшого диаметра, и буровой расширитель, который несет другую часть WOB, для расширения пробуренной скважины небольшого диаметра. Благодаря использованию пружины между направляющим долотом и буровым расширителем распределение WOB на направляющем долоте и буровом расширителе отрегулировано надлежащим образом, и относительная ROP между ними отрегулирована до приемлемой величины, тем самым улучшая ROP. Испытание в закрытом помещении подтверждает, что такой вид бурового долота может улучшить ROP, особенно в пласте с большим количеством промежуточных слоев. Тем не менее, эффект такого вида бурового долота еще не был достигнут наилучшим образом и ожидается дальнейшее увеличение ROP, если другие схемы увеличения скорости можно будет реализовать с таким буровым долотом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения заключается в устранении вышеописанных недостатков известного уровня техники и в предоставлении бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото (WSADB), а именно бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, причем буровое долото осуществляет комплексное регулирование импульсной струи во время вращения и бурения направляющего долота, тем самым уменьшая эффект прижатия осколков породы, вызванный направляющим долотом и буровым расширителем, дополнительно достигая цели защиты бурового долота и увеличения срока службы и ROP бурового долота и дополнительно улучшая эффективность бурения.
Для достижения вышеописанных целей настоящая заявка предоставляет WSADB, а именно буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, содержащее буровой расширитель, элемент регулировки нагрузки на долото (WOB), передаточный механизм и направляющее долото, буровой расширитель содержит соединительный элемент и коронку бурового расширителя, присоединенную к соединительному элементу, направляющее долото установлено внутри коронки бурового расширителя и выступает из коронки бурового расширителя, механизм генерирования импульсного воздействия расположен внутри соединительного элемента для регулирования бурового раствора таким образом, чтобы формировать импульсную струю в сопле бурового расширителя и в сопле направляющего долота соответственно, и генерирования периодического импульсного усилия, направленного вдоль оси вниз, которое периодически воздействует на направляющее долото во время регулирования бурового раствора, при этом механизм генерирования импульсного воздействия, элемент регулировки WOB, передаточный механизм и направляющее долото соединены последовательно; механизм генерирования импульсного воздействия содержит центрирующий элемент, приводной элемент, вращающийся элемент и дросселирующий элемент, расположенные последовательно, центрирующий элемент, приводной элемент и вращающийся элемент соединены последовательно, дросселирующий элемент соединен с вращающимся элементом посредством посадки с гарантированным зазором, как центрирующий элемент, так и дросселирующий элемент соответственно обеспечены сквозным каналом для течения бурового раствора, приводной элемент приводит во вращение вращающийся элемент, вращающийся элемент вращается относительно сквозного канала в дросселирующем элементе; когда вращающийся элемент закрывает сквозной канал в дросселирующем элементе, количество бурового раствора, проходящего через сквозной канал в дросселирующем элементе, уменьшается, когда вращающийся элемент не закрывает сквозной канал в дросселирующем элементе, количество бурового раствора, проходящего через сквозной канал в дросселирующем элементе, увеличивается.
Предпочтительно дросселирующий элемент, элемент регулировки WOB и шунтирующий элемент передаточного механизма расположены во внутренней полости, образованной соединением соединительного элемента и коронки бурового расширителя, дросселирующий элемент находится в контакте с элементом регулировки WOB.
Предпочтительно приводной элемент представляет собой винтовой ротор, вращающийся элемент представляет собой рабочее колесо, часть, где винтовой ротор присоединен к рабочему колесу, представляет собой шлицевую конструкцию, и шлицевая конструкция взаимодействует со шпоночным пазом рабочего колеса так, что рабочее колесо вращается синхронно с винтовым ротором.
Предпочтительно два конца винтового ротора представляют собой центрирующие валы, середина винтового ротора представляет собой винтовой стальной вал с одной головкой или несколькими головками; первый центрирующий вал установлен в среднем отверстии центрирующего элемента и выступает из центрирующего элемента; часть второго центрирующего вала представляет собой шлицевую конструкцию и взаимодействует со шпоночным пазом рабочего колеса, другая часть второго центрирующего вала представляет собой соединительный вал, установленный в дросселирующем элементе и выступающий из дросселирующего элемента.
Кроме этого, первый противоэрозионный колпачок установлен в месте, где первый центрирующий вал выступает из центрирующего элемента, а второй противоэрозионный колпачок установлен в месте, где второй центрирующий вал выступает из дросселирующего элемента.
Предпочтительно рабочее колесо содержит лопасти рабочего колеса, центральное отверстие рабочего колеса для прохождения второго центрирующего вала расположено в центре лопастей рабочего колеса, боковая стенка центрального отверстия рабочего колеса обеспечена шпоночным пазом рабочего колеса для передачи крутящего момента путем взаимодействия со шлицевой конструкцией второго центрирующего вала.
Предпочтительно лопасти рабочего колеса равномерно распределены вдоль окружности, количество лопастей рабочего колеса и количество сквозных каналов в дросселирующем элементе можно отрегулировать согласно требованиям к технологии бурения.
Предпочтительно дросселирующий элемент представляет собой дросселирующий диск, сквозной канал представляет собой сквозное отверстие для прерывистого потока в дросселирующем диске, и множество сквозных отверстий для прерывистого потока равномерно распределены на плоскости дросселирующего диска; блокирующий механизм дросселирующего диска расположен на внешней стороне дросселирующего диска, блокирующий механизм дросселирующего диска находится в блокирующем пазе, расположенном во внутренней полости, образованной соединением соединительного элемента и коронки бурового расширителя, и блокирующий механизм перемещается в блокирующем пазе; центральное отверстие дросселирующего диска расположено в центре дросселирующего диска, соединительный вал второго центрирующего вала установлен в центральном отверстии дросселирующего диска, и центральное отверстие дросселирующего диска и второй центрирующий вал взаимодействуют друг с другом за счет своих размеров.
По сравнению с известным уровнем техники настоящая заявка обеспечивает следующие благоприятные результаты.
(1) Механизм генерирования импульсного воздействия согласно настоящему изобретению имеет дросселирующий эффект, так что непрерывный поток бурового раствора в канале бурового долота преобразуется в прерывистый и переменный поток, направленный в сопла, что уменьшает эффект прижатия осколков породы в забое скважины, и путем регулирования импульсной струи WOB воздействует на направляющее долото неустойчивым ударным воздействием для достижения автоматического и приемлемого распределения WOB и для повышения эффективности разрушения горной породы направляющим долотом, тем самым достигая цели улучшения общего эффекта разрушения горной породы буровым долотом.
(2) Вращающийся элемент механизма генерирования импульсного воздействия согласно настоящему изобретению использует винтовой ротор, путем регулировки количества головок винтового ротора можно генерировать осевое импульсное ударное воздействие с переменной частотой на буровое долото без дополнительного осевого ударного устройства, тем самым снижая вероятность аварии в забое, одновременно улучшая энергию бурового долота для разрушения горной породы.
(3) WSADB согласно настоящему изобретению, а именно буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, обеспечено механизмом генерирования импульсного воздействия, чтобы образовывать импульсную струю в соплах бурового долота и оказывать периодическое ударное воздействие на направляющее долото, тем самым реализуя автоматическое и приемлемое распределение WOB, уменьшая эффект прижатия осколков породы бурового долота и увеличивая ROP.
(4) WSADB согласно настоящему изобретению, а именно буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, может использоваться со всеми видами пластов и имеет более высокую приспосабливаемость к промежуточным пластам, тем временем, благодаря своей роли в регулировке WOB, усилие на буровое долото является более приемлемым, тем самым дополнительно защищая буровое долото и увеличивая срок службы бурового долота.
(5) WSADB согласно настоящему изобретению, а именно буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, имеет идентичный принцип действия и конструкцию и не нуждается в установке других инструментов, когда направляющее долото осуществляет вращение, бурение и изменение силового поля в пласте, не влияя на реализацию других процессов бурения.
(6) WSADB согласно настоящему изобретению, а именно буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, имеет широкий диапазон применений и может использоваться в различных типах скважин, таких как прямая скважина, направленная скважина, горизонтальная скважина и так далее, и может использоваться в непосредственном взаимодействии с силовым буровым инструментом или другими инструментами.
(7) Поскольку WSADB согласно настоящему изобретению, а именно буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, использует многоступенчатую конструкцию, площадь контакта между буровым долотом и забоем скважины увеличивается в процессе бурения, что улучшает стабильность управления направлением и очень хорошо подходит для направленного бурения; тем временем, многоступенчатая конструкция придает большую равномерность стенке скважины в процессе бурения, тем самым повышая качество скважины.
(8) При использовании WSADB согласно настоящему изобретению, а именно буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, имеет точно такую же эксплуатационную конструкцию, что и традиционное буровое долото, отсутствуют особые требования к наземному оборудованию, бурильной колонне, забойному силовому буровому инструменту, что способствует популяризации и использованию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 показана структурная схема бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 показана структурная схема центрирующего элемента согласно настоящему изобретению.
На фиг. 3 показана структурная схема винтового ротора согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4 показана структурная схема рабочего колеса согласно настоящему изобретению.
На фиг. 5 показана структурная схема дросселирующего диска согласно настоящему изобретению.
На фиг. 6 показан вид в поперечном сечении бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения согласно настоящему изобретению, выполненном вдоль линии A-A.
На фиг. 7 показан вид в поперечном сечении бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения согласно настоящему изобретению, выполненном вдоль линии B-B.
На фиг. 8 показан вид в поперечном сечении бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения согласно настоящему изобретению, выполненном вдоль линии C-C.
На фиг. 9 показана структурная схема передаточного механизма согласно настоящему изобретению.
На графических материалах:
1: механизм генерирования импульсного воздействия; 11: центрирующий элемент; 111: сквозной канал; 112: среднее отверстие; 12: приводной элемент; 121: винтовой ротор; 1211: шлицевая конструкция; 1212: первый центрирующий вал; 1213: второй центрирующий вал; 1214: винтовой стальной вал; 1215: соединительный вал; 13: вращающийся элемент; 131: рабочее колесо; 1311: лопасть рабочего колеса; 1312: центральное отверстие рабочего колеса; 1313: шпоночный паз рабочего колеса; 14: дросселирующий элемент; 141: дросселирующий диск; 1411: сквозное отверстие для прерывистого потока в дросселирующем диске; 1412: центральное отверстие дросселирующего диска; 1413: блокирующий механизм дросселирующего диска; 15: первый противоэрозионный колпачок; 16: второй противоэрозионный колпачок; 2: буровой расширитель; 21: соединительный элемент; 211: резьба соединительного элемента; 212: соединительный паз; 213: первый проточный канал для бурового раствора; 22: коронка бурового расширителя; 221: режущее лезвие бурового расширителя; 222: режущие зубцы бурового расширителя; 223: канал для потока через сопло бурового расширителя; 224: сопло бурового расширителя; 3: элемент регулировки WOB; 4: передаточный механизм; 401: центрирующая уплотнительная поверхность; 402: ограничивающая поверхность шунтирующего элемента; 403: поверхность передачи крутящего момента; 404: канавка уплотнения; 41: скользящий уплотнительный элемент; 42: шунтирующий элемент; 43: второй проточный канал для бурового раствора; 44: короткий передаточный вал; 45: соединительная скоба для направляющего долота; 46: ректификационная полость; 47: сквозное отверстие для бурового раствора бурового расширителя; 5: направляющее долото; 51: третий проточный канал для бурового раствора; 52: коронка направляющего долота; 53: сопло направляющего долота; 54: режущее лезвие направляющего долота; 55: режущие зубцы направляющего долота.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение будет подробно описано далее посредством иллюстративных вариантов осуществления. Тем не менее, следует понимать, что элемент, конструкция и признак в одном варианте осуществления преимущественным образом могут быть объединены в другие варианты осуществления без дальнейшего повторения.
В описании настоящего изобретения следует отметить, что продольное направление бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения является вертикальным направлением после установки; термины «внутренний», «внешний», «верхний» «средний», «нижний» и подобные обозначают относительное расположение на основании относительного расположения, изображенного на графических материалах, и предназначены лишь для легкого описания настоящего изобретения и для упрощения описания, но не для обозначения или указания на то, что устройство или элемент должны иметь конкретную ориентацию, должны быть спроектированы и использованы в конкретной ориентации, и, следовательно, не должны расцениваться в качестве ограничения настоящего изобретения. Кроме этого, термины «первый», «второй» и подобные используются лишь в целях описания и не должны расцениваться как обозначающие или подразумевающие сравнительную важность.
Как показано на фиг. 1, механизм 1 генерирования импульсного воздействия, предоставленный настоящим изобретением, содержит центрирующий элемент 11, приводной элемент 12, вращающийся элемент 13 и дросселирующий элемент 14, расположенные последовательно, центрирующий элемент 11, приводной элемент 12 и вращающийся элемент 13 соединены последовательно, один конец приводного элемента 12 расположен на центрирующем элементе 11, а другой конец приводного элемента 12 расположен на вращающемся элементе 13 так, что приводной элемент 12 расположен в осевом направлении, дросселирующий элемент 14 соединен с вращающимся элементом 13 посредством посадки с гарантированным зазором таким образом, что вращающийся элемент 13 вращается относительно дросселирующего элемента 14, как центрирующий элемент 11, так и дросселирующий элемент 14 соответственно обеспечены сквозным каналом для течения бурового раствора, приводной элемент 12 приводит во вращение вращающийся элемент 13, вращающийся элемент 13 вращается относительно сквозного канала в дросселирующем элементе.
Приводной элемент 12 приводит во вращение вращающийся элемент 13, когда вращающийся элемент 13 закрывает сквозной канал в дросселирующем элементе 14, количество бурового раствора, проходящего через сквозной канал в дросселирующем элементе 14, уменьшается, когда вращающийся элемент 13 не закрывает сквозной канал в дросселирующем элементе 14, количество бурового раствора, проходящего через сквозной канал в дросселирующем элементе 14, увеличивается.
Вышеупомянутый механизм 1 генерирования импульсного воздействия осуществляет периодическое изменение количества бурового раствора, проходящего через сквозной канал в дросселирующем элементе 14 путем взаимодействия вращающегося элемента 13 и дросселирующего элемента 14, тем самым образуя импульсную струю.
Когда механизм 1 генерирования импульсного воздействия применяется в буровом долоте, используемом в процессе бурения, с одной стороны, импульсная струя может быть образована в соплах бурового долота и может уменьшать эффект прижатия осколков породы буровым долотом, тем самым защищая буровое долото и увеличивая ROP, с другой стороны, за счет регулирования количества бурового раствора в механизме 1 генерирования импульсного воздействия, когда вращающийся элемент 13 закрывает сквозной канал в дросселирующем элементе 14, поскольку канал, по которому течет буровой раствор, заблокирован, буровой раствор оказывает ударное воздействие, в общем направленное по оси вниз, на механизм 1 генерирования импульсного воздействия и может дополнительно генерировать весовое ударное воздействие на элемент, расположенный под механизмом 1 генерирования импульсного воздействия.
Как изображено на фиг. 2, в качестве предпочтительного варианта осуществления, множество сквозных каналов 111 равномерно распределены в центрирующем элементе 11, буровой раствор поступает в механизм 1 генерирования импульсного воздействия по сквозным каналам 111, причем посередине центрирующего элемента 11 расположено среднее отверстие 112 для прохождения сквозь него одного конца приводного элемента 12.
Как изображено на фиг. 1, для осуществления регулирования бурового раствора посредством механизма 1 генерирования импульсного воздействия, в качестве предпочтительного варианта осуществления, приводной элемент 12 представляет собой винтовой ротор 121 (как изображено на фиг. 3), вращающийся элемент 13 представляет собой рабочее колесо 131 (как изображено на фиг. 4), часть, где винтовой ротор 121 присоединен к рабочему колесу 131, представляет собой шлицевую конструкцию 1211, шпоночный паз 1313 рабочего колеса расположен в области, где рабочее колесо 131 и шлицевая конструкция 1211 взаимодействуют друг с другом, шлицевая конструкция 1211 взаимодействует со шпоночным пазом 1313 рабочего колеса так, что рабочее колесо 131 может вращаться синхронно с винтовым ротором 121. Дросселирующий элемент 14 представляет собой дросселирующий диск 141 (изображенный на фиг. 5), одна поверхность дросселирующего диска 141 соединена с рабочим колесом 131 посредством посадки с гарантированным зазором.
Как также изображено на фиг. 1 и фиг. 3, в качестве предпочтительного варианта осуществления, два конца винтового ротора 121 представляют собой центрирующие валы, первый центрирующий вал 1212 на верхнем конце и второй центрирующий вал 1213 на нижнем конце соответственно, его середина представляет собой винтовой стальной вал 1214 с одной головкой или несколькими головками, первый центрирующий вал 1212 установлен в среднем отверстии 112 центрирующего элемента 11 и выступает из центрирующего элемента 11, часть второго центрирующего вала 1213 представляет собой шлицевую конструкцию 1211, и его другая часть представляет собой соединительный вал 1215, шлицевая конструкция 1211 взаимодействует со шпоночным пазом 1313 рабочего колеса для вращения рабочего колеса 131 синхронно с винтовым ротором 121, соединительный вал 1215 установлен в дросселирующем элементе 14 и выступает из дросселирующего элемента 14. Соединительный вал 1215 предпочтительно представляет собой круглый вал.
Для предотвращения повреждения двух концов винтового ротора из-за эрозии, вызванной буровым раствором, в другом предпочтительном варианте осуществления, как изображено на фиг. 1, первый противоэрозионный колпачок 15 установлен в месте, где первый центрирующий вал 1212 выступает из центрирующего элемента 11, второй противоэрозионный колпачок 16 установлен в месте, где второй центрирующий вал 1213 выступает из дросселирующего элемента 14.
В качестве предпочтительного варианта осуществления, как изображено на фиг. 4, рабочее колесо 131 содержит лопасти 1311 рабочего колеса, центральное отверстие 1312 рабочего колеса для прохождения сквозь него второго центрирующего вала 1213 расположено в центре лопастей 1311 рабочего колеса, шпоночный паз 1313 рабочего колеса расположен на боковой стенке центрального отверстия 1312 рабочего колеса, шпоночный паз 1313 рабочего колеса взаимодействует со шлицевой конструкцией 1211 второго центрирующего вала 1213 для передачи крутящего момента таким образом, что рабочее колесо 131 вращается синхронно с винтовым ротором 121.
Кроме этого, лопасти 1311 рабочего колеса равномерно распределены вдоль окружности, количество лопастей 1311 рабочего колеса можно отрегулировать согласно требованиям к технологии бурения.
В качестве предпочтительного варианта осуществления, как изображено на фиг. 5, сквозные отверстия 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске равномерно распределены по плоскости дросселирующего диска 141, подобным образом количество сквозных отверстий 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске также можно отрегулировать согласно требованиям к технологии бурения, количество сквозных отверстий 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске и количество лопастей 1311 рабочего колеса можно рассчитать согласно требованиям к технологии бурения. Центральное отверстие 1412 дросселирующего диска расположено в центре дросселирующего диска 141, центральное отверстие 1412 дросселирующего диска и второй центрирующий вал 1213 взаимодействуют друг с другом за счет своих размеров для того, чтобы позволить пройти соединительному валу 1215 второго центрирующего вала 1212 для достижения центрирования винтового ротора 121.
Винтовой ротор 121 приводит во вращение рабочее колесо 131, лопасть 1311 рабочего колеса вращается относительно сквозных отверстий 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске, когда лопасть 1311 рабочего колеса закрывает сквозное отверстие 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске, количество бурового раствора, проходящего через сквозное отверстие 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске, уменьшается, когда лопасть 1311 рабочего колеса не закрывает сквозное отверстие 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске, количество бурового раствора, проходящего через сквозное отверстие 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске, увеличивается. С помощью вышеописанного способа реализуется периодическое изменение количества бурового раствора, проходящего через сквозное отверстие 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске, и затем количество проходящего бурового раствора регулируют с образованием импульсной струи.
Как изображено на фиг. 1, буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, предоставленное настоящим изобретением, содержит буровой расширитель 2, элемент 3 регулировки нагрузки на долото (WOB), передаточный механизм 4 и направляющее долото 5, буровой расширитель 2 содержит соединительный элемент 21 и коронку 22 бурового расширителя, соединенную с соединительным элементом 21, элемент 3 регулировки WOB и передаточный механизм 4 расположены во внутренней полости, образованной соединением соединительного элемента 21 и коронки 22 бурового расширителя, и направляющее долото 5, расположенное на нижнем конце передаточного механизма 4, установлено внутри коронки 22 бурового расширителя и выступает из коронки 22 бурового расширителя, передаточный механизм 4 выполнен с возможностью передачи крутящего момента коронки 22 бурового расширителя направляющему долоту 5 для приведения во вращение направляющего долота 5, механизм 1 генерирования импульсного воздействия расположен внутри соединительного элемента 21, причем механизм 1 генерирования импульсного воздействия, элемент 3 регулировки WOB, передаточный механизм 4 и направляющее долото 5 соединены последовательно.
Элемент 3 регулировки WOB расположен между механизмом 1 генерирования импульсного воздействия и передаточным механизмом 4, передаточный механизм 4 может совершать небольшое возвратно-поступательное движение в осевом направлении внутри коронки 22 бурового расширителя под воздействием элемента 3 регулировки WOB так, что передаточный механизм 4 может приводить направляющее долото 5 в небольшое возвратно-поступательное движение в осевом направлении относительно бурового расширителя 2. Когда направляющее долото 5 разрушает горную породу и сталкивается с большим сопротивлением, направляющее долото 5 подвергается противодействию, направленному вверх, давит на элемент 3 регулировки WOB таким образом, что он сжимается и генерирует большее упругое усилие, WOB на направляющее долото 5 увеличивается под действием упругого усилия элемента 3 регулировки WOB, когда общая WOB является постоянной, WOB на буровой расширитель 2 уменьшается, тем самым осуществляя автоматическое и приемлемое распределение WOB.
Буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения использует сочетание бурового расширителя 2 и направляющего долота 5 для осуществления бурения, чтобы изменить способ контакта между буровым долотом и горной породой в забое скважины для ослабления напряжения в пласте, тем самым уменьшая удельную энергию для разрушения горной породы; использует элемент 3 регулировки WOB для реализации автоматического и приемлемого распределения WOB соответственно на буровом расширителе 2 и направляющем долоте 5, использует относительное осевое перемещение между буровым расширителем 2 и направляющим долотом 5 для реализации автоматической регулировки ROP двух долот и таким образом автоматически распределяет и регулирует WOB соответственно на буровом расширителе 2 и направляющем долоте 5 для ее оптимального значения и управляет их ROP для наиболее приемлемого значения; использует регулирование количества бурового раствора с помощью механизма 1 генерирования импульсного воздействия для формирования импульсной струи в соплах бурового расширителя 2 и направляющего долота 5, использует периодическое ударное воздействие, направленное вдоль оси вниз, возникшее в процессе регулирования количества бурового раствора, для оказания периодического ударного воздействия на направляющее долото 5, уменьшает эффект прижатия осколков породы, оказываемый буровым расширителем 2 и направляющим долотом 5, посредством импульсной струи во время осуществления вращения и бурения направляющим долотом 5 и реализует автоматическое и приемлемое распределение WOB с целью защиты бурового долота и увеличения срока службы и ROP бурового долота.
В качестве предпочтительного варианта осуществления механизм 1 генерирования импульсного воздействия выполнен с возможностью осуществления осевого возвратно-поступательного движения внутри соединительного элемента 21, дросселирующий диск 141 находится в контакте с элементом 3 регулировки WOB. Когда лопасть 1311 рабочего колеса закрывает сквозное отверстие 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске, поскольку канал для потока бурового раствора заблокирован, гидравлическое усилие бурового раствора приводит в движение рабочее колесо 131 и дросселирующий диск 141 для приведения механизма 1 генерирования импульсного воздействия в осевое движение вниз внутри соединительного элемента 21 с целью сжать элемент 3 регулировки WOB для генерирования ударного воздействия, направленного вдоль оси вниз, на передаточный механизм 4 и направляющее долото 5; когда лопасть 1311 рабочего колеса не закрывает сквозное отверстие 1411 для прерывистого потока, буровой раствор может беспрепятственно проходить через механизм 1 генерирования импульсного воздействия, и ударное воздействие, направленное вдоль оси вниз, исчезает.
Вышеописанный вариант осуществления использует периодическое изменение количества бурового раствора в механизме 1 генерирования импульсного воздействия для генерирования периодического ударного воздействия, направленного вдоль оси вниз, в процессе регулирования бурового раствора, таким образом, дополнительно оказывая периодическое ударное воздействие на направляющее долото 5, уменьшая эффект прижатия осколков породы, оказываемый буровым расширителем 2 и направляющим долотом 5 во время осуществления вращения и бурения направляющим долотом 5, и дополнительно реализует автоматическое и приемлемое распределение WOB соответственно на буровой расширитель 2 и направляющее долото 5, тем самым достигая цели защиты бурового долота и увеличения срока службы и ROP бурового долота.
Как также изображено на фиг. 5, блокирующий механизм 1413 дросселирующего диска расположен на внешней стороне дросселирующего диска 141, блокирующий паз расположен во внутренней полости, образованной соединением соединительного элемента 21 и коронки 22 бурового расширителя, блокирующий механизм 1413 дросселирующего диска размещен в блокирующем пазе и перемещается в блокирующем пазе; блокирующий механизм 1413 дросселирующего диска взаимодействует с блокирующим пазом для ограничения вращения дросселирующего диска 141 вдоль окружности, но дросселирующий диск 141 может перемещаться вверх и вниз в блокирующем пазе.
В предпочтительном варианте осуществления элемент 3 регулировки WOB представляет собой пружину для регулировки WOB, например, механическую пружину или гидравлическую пружину, автоматическое и приемлемое распределение WOB на буровом расширителе 2 и направляющем долоте 5 реализуется посредством пружины для регулировки WOB.
Как изображено на фиг. 1, в качестве предпочтительного варианта осуществления, верхняя часть на внешней стороне соединительного элемента 21 обеспечена резьбой 211 соединительного элемента для присоединения комбинации верхних буровых инструментов, его средняя часть обеспечена соединительным пазом 212 для снятия нагрузки с бурового долота, направленной вверх, и обеспечения крутящего момента бурового долота в процессе бурения, причем его нижняя часть обеспечена соединительной поверхностью для соединения соединительного элемента 21 с коронкой 22 бурового расширителя. На внутренней стороне соединительного элемента 21 сверху вниз расположены: первый проточный канал 213 для бурового раствора, предназначенный для предоставления пространства для течения бурового раствора, нажимная ступенчатая поверхность, предназначенная для ограничения дросселирующего диска 141, фиксирующая полость дросселирующего диска 141, предназначенная для фиксации и ограничения дросселирующего диска 141, и внешний защитный пружинный цилиндр, предназначенный для ограничения пространства перемещения пружины для регулировки WOB. Как показано на фиг. 1 и фиг. 7, винтовой ротор 121 механизма 1 генерирования импульсного воздействия расположен внутри первого проточного канала 213 для бурового раствора.
Верхняя часть коронки 22 бурового расширителя представляет собой соединительную поверхность бурового расширителя для соединения коронки 22 бурового расширителя с соединительным элементом 21, под соединительной поверхностью бурового расширителя находится коронка; размер соединительной поверхности бурового расширителя и размер соединительной поверхности нижней части соединительного элемента 21 взаимно дополняют друг друга для реализации соединения между коронкой 22 бурового расширителя и соединительным элементом 21.
Верхний конец внутри коронки 22 бурового расширителя представляет собой круглое отверстие, а ее нижний конец представляет собой отверстие для передачи осевого крутящего момента, диаметр круглого отверстия равен диаметру внешнего защитного пружинного цилиндра соединительного элемента 21, отверстие для передачи осевого крутящего момента на нижнем конце коронки 22 бурового расширителя проходит сквозь нижнюю часть коронки 22 бурового расширителя. Как показано на фиг. 8, форма поперечного сечения отверстия для передачи осевого крутящего момента представляет собой многоступенчатую конструкцию или шлицевую конструкцию, причем многоступенчатая конструкция или шлицевая конструкция взаимодействует с передаточным механизмом 4 так, что передаточный механизм 4 вращается синхронно с коронкой 22 бурового расширителя.
Множество режущих лезвий 221 бурового расширителя равномерно распределены на внешней стороне коронки 22 бурового расширителя, и количество и форма режущих лезвий 221 бурового расширителя изменяются соответственно характеристике пласта, в котором осуществляется бурение, режущие зубцы 222 бурового расширителя распределены на режущем лезвии 221 бурового расширителя, и их количество и размер изменяются соответственно характеристике пласта, в котором осуществляется бурение; канал 223 для потока через сопло бурового расширителя проходит от круглого отверстия в верхнем конце внутри коронки 22 бурового расширителя до основания режущего лезвия 221 бурового расширителя, и основание расположено в нижней части коронки 22 бурового расширителя, сопло 224 бурового расширителя установлено в нижней части канала 223 для потока через сопло бурового расширителя, буровой раствор выбрасывается в виде струи из сопла 224 бурового расширителя по каналу 223 для потока через сопло бурового расширителя. Поскольку характеристика коронки 22 бурового расширителя изменяется соответственно геологической характеристике и требованиям к технологии бурения пласта, формы, размеры и количества режущего лезвия 221 бурового расширителя, режущих зубцов 222 бурового расширителя, канала 223 для потока через сопло и сопла 224 бурового расширителя, расположенных на коронке 22 бурового расширителя, изменяются при изменении коронки 22 бурового расширителя.
Как показано на фиг. 9, верхняя часть на внешней стороне передаточного механизма 4 представляет собой центрирующую уплотнительную поверхность 401, его средняя часть представляет собой ограничивающую поверхность 402 шунтирующего элемента и его нижняя часть представляет собой поверхность 403 передачи крутящего момента. Центрирующая уплотнительная поверхность 401 взаимодействует с круглым отверстием внутри коронки 22 бурового расширителя для обеспечения отсутствия радиальной тряски передаточного механизма 4 относительно коронки 22 бурового расширителя. Канавка 404 уплотнения расположена на центрирующей уплотнительной поверхности 401, скользящий уплотнительный элемент 41 расположен внутри канавки 404 уплотнения. Диаметр ограничивающей поверхности 402 шунтирующего элемента меньше диаметра центрирующей уплотнительной поверхности 401, но больше диаметра описанной окружности поверхности 403 передачи крутящего момента, ступень, образованная между ограничивающей поверхностью 402 шунтирующего элемента и поверхностью 403 передачи крутящего момента, ограничивает относительное осевое смещение между передаточным механизмом 4 и коронкой 22 бурового расширителя и предотвращает выход передаточного механизма 4 из коронки 22 бурового расширителя. Поверхность 403 передачи крутящего момента соединена посредством посадки с гарантированным зазором с отверстием для передачи осевого крутящего момента в нижнем конце коронки 22 бурового расширителя с целью передачи крутящего момента бурового расширителя 2 передаточному механизму 4.
Как показано на фиг. 1 и фиг. 9, верхняя часть передаточного механизма 4 представляет собой шунтирующий элемент 42, его средняя часть представляет собой короткий передаточный вал 44, обеспеченный вторым проточным каналом 43 для бурового раствора, и его нижняя часть представляет собой соединительную скобу 45 направляющего долота; второй проточный канал 43 для бурового раствора выполнен с возможностью обеспечения прохода для бурового раствора, отклоненного к направляющему долоту 5, соединительная скоба 45 бурового расширителя передаточного механизма 4 выполнена с возможностью присоединения направляющего долота 5. Как показано на фиг. 8, короткий передаточный вал 44 расположен в отверстии для передачи осевого крутящего момента коронки 22 бурового расширителя и взаимодействует с отверстием для передачи осевого крутящего момента для обеспечения синхронного вращения этих двух деталей.
Как показано на фиг. 1, дросселирующий элемент 14, элемент 3 регулировки WOB и шунтирующий элемент 42 передаточного механизма 4 расположены во внутренней полости, образованной соединением соединительного элемента 21 и коронки 22 бурового расширителя, дросселирующий элемент 14 находится в контакте с одним концом элемента 3 регулировки WOB, шунтирующий элемент 42 находится в контакте с другим концом элемента 3 регулировки WOB.
Кроме этого, ректификационная полость 46 для контакта с буровым раствором расположена между нижним концом шунтирующего элемента 42 и коронкой 22 бурового расширителя, нижняя часть ректификационной полости 46 представляет собой канал 223 для потока через сопло бурового расширителя, буровой раствор течет из ректификационной полости 46 в канал 223 для потока через сопло бурового расширителя; сквозное отверстие 47 для бурового раствора бурового расширителя для передачи части бурового раствора в ректификационную полость 46 расположено в шунтирующем элементе 42 и над ректификационной полостью 46.
Буровой раствор, поступающий в первый проточный канал 213 для бурового раствора, разделяется на две части шунтирующим элементом 42, одна часть поступает во второй проточный канал 43 для бурового раствора передаточного механизма 4 и затем поступает в направляющее долото 5, другая часть поступает в ректификационную полость 46 через сквозное отверстие 47 для бурового раствора бурового расширителя и далее поступает в канал 223 для потока через сопло бурового расширителя.
Как изображено на фиг. 1, дополнительно третий проточный канал 51 для бурового раствора расположен внутри направляющего долота 5, верхняя часть его внешней стороны представляет собой соединительную резьбу направляющего долота, и нижняя часть его внешней стороны представляет собой коронку 52 направляющего долота; соединительная резьба направляющего долота выполнена с возможностью соединения направляющего долота 5 и передаточного механизма 4 так, что направляющее долото 5 может приводиться во вращение передаточным механизмом 4; коронка 52 направляющего долота обеспечена соплом 53 направляющего долота, режущим лезвием 54 направляющего долота и режущими зубцами 55 направляющего долота; относительное расположение сопла 53 направляющего долота, режущего лезвия 54 направляющего долота и режущих зубцов 55 направляющего долота идентично относительному расположению сопла 224 бурового расширителя, режущего лезвия 221 бурового расширителя и режущих зубцов 222 бурового расширителя, расположенных на коронке 22 бурового расширителя. Количество и формы сопла 53 направляющего долота, режущего лезвия 54 бурового расширителя и режущих зубцов 55 бурового расширителя изменяются в зависимости от характеристики пласта, в котором осуществляется бурение.
Процесс формирования импульсных струй в соплах бурового долота имеет следующий вид: как показано на фиг. 1, механизм 1 генерирования импульсного воздействия расположен в первом проточном канале 213 для бурового раствора, буровой раствор последовательно сверху вниз проходит через первый канал 213 для бурового раствора, сквозные отверстия 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске 141 и шунтирующий элемент 42 передаточного механизма 4, и затем одна часть бурового раствора поступает в третий проточный канал 51 для бурового раствора направляющего долота 5 по второму проточному каналу 43 для бурового раствора передаточного механизма 4 и впоследствии выбрасывается в виде струи из сопла 53 направляющего долота; другая часть бурового раствора проходит через сквозное отверстие 47 для бурового раствора шунтирующего элемента 42 и ректификационную полость 46 для поступления в канал 223 для потока через сопло остальной части долота и впоследствии выбрасывается в виде струи из сопла 224 бурового расширителя. В вышеописанном процессе, благодаря взаимодействию между рабочим колесом 131 и дросселирующим диском 141, буровой раствор периодически проходит по сквозным отверстиям 1411 для прерывистого потока в дросселирующем диске, тем самым образуя импульсную струю соответственно в сопле 53 направляющего долота и сопле 224 бурового расширителя. Кроме того, в ходе этого процесса периодическое ударное воздействие, направленное вдоль оси вниз, генерируется периодическим изменением количества бурового раствора в механизме 1 генерирования импульсного воздействия, чтобы периодически оказывать ударное воздействие на направляющее долото 5. Посредством вышеописанного процесса реализуется автоматическое и приемлемое распределение WOB соответственно на буровой расширитель 2 и направляющее долото 5 и уменьшается эффект прижатия осколков породы буровым долотом, и таким образом обеспечивается защита бурового долота и увеличение ROP.
Буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения, изображенное на фиг. 1, является двухступенчатым, кроме того, направляющее долото 5 на фиг. 1 можно заменить буровым долотом с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения небольшого диаметра (двухступенчатым) для формирования трехступенчатого бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения; согласно вышеописанному способу направляющее долото трехступенчатого бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения заменяют буровым долотом с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения меньшего диаметра (двухступенчатым) для формирования четырехступенчатого бурового долота с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения. Таким образом, согласно данному способу можно сконструировать многоступенчатое буровое долото с саморегулирующейся нагрузкой на долото для импульсного гидромониторного бурения.
Вышеописанные варианты осуществления используются для объяснения настоящего изобретения и не ограничивают настоящее изобретение, любые дополнения и изменения, внесенные в настоящее изобретение в пределах объема защиты настоящего изобретения, находятся в пределах объема защиты настоящего изобретения.