УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Предлагаемое техническое решение относится к области бурения скважин и может быть использовано для создания более эффективных условий проведения бурения скважин.
Аналогичные технические решения известны см., например, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №739219, которое содержит следующую совокупность признаков:
- буровую колонну с буровым породоразрушающим инструментом, размещенным в забое скважины;
- привод вращения буровой колонны, сочлененный своим выходом со шпинделем, охватывающим своим зажимным патроном соответствующий участок внешней поверхности буровой колонны;
- датчик крутящего момента буровой колонны, подсоединенный своим входом к первому выходу привода вращения буровой колонны;
- датчик скорости бурения буровой колонны, подсоединенный своим входом к второму выходу привода вращения буровой колонны;
- датчик осевой нагрузки, подсоединенный своим входом к выходу привода осевой подачи усилия на буровую колонну;
- управляющий блок адаптации, подсоединенный своим первым входом к выходу датчика осевой нагрузки и своим вторым входом к выходу датчика скорости бурения буровой колонны;
- привод осевой подачи усилия на буровую колонну, подсоединенный своим входом к выходу основного управляющего устройства и воздействующий своим выходом на шпиндель привода вращения буровой колонны;
- основное управляющее устройство, подсоединенное своим первым и вторым входами к соответствующим выходам управляющего блока адаптации и своим выходом к входу привода осевой нагрузки на буровую колонну.
Общими признаками предлагаемого технического решения и охарактеризованного аналогичного технического решения по авторскому свидетельству СССР №739219 являются:
- буровая колонна с буровым породоразрушающим инструментом, размещенным в забое скважины;
- привод вращения буровой колонны, сочлененный своим выходом со шпинделем, охватывающим своим зажимным патроном соответствующий участок внешней поверхности буровой колонны;
- привод осевой подачи усилия на буровую колонну, подсоединенный своим входом к выходу устройства управления и воздействующий своим выходом на шпиндель привода вращения буровой колонны;
- датчик осевого усилия, подсоединенный своим входом к выходу привода осевой подачи усилия к буровой колонне;
- датчик крутящего момента буровой колонны, подсоединенный своим входом к первому выходу привода вращения буровой колонны;
- датчик скорости бурения буровой колонны, подсоединенный своим входом к второму выходу привода вращения буровой колонны.
Известно также аналогичное техническое решение см., описание изобретения к патенту РФ №2055175, которое выбрано в качестве ближайшего аналога, прототипа и которое содержит следующую совокупность существенных признаков:
- буровую колонну, подвешенную своим верхним концом с помощью крюка, прикрепленного к талевому блоку, через ведущую бурильную трубу и вертлюг, позволяющий осуществлять вращение буровой колонны относительно крюка, с буровым породоразрушающим инструментом, размещенным в забое скважины;
- привод вращения буровой колонны, установленной на буровой вышке, подсоединенный своим входом к выходу источника сигналов задания блока управления вращением буровой колонны (задатчик крутящего момента буровой колонны, подсоединенный своим выходом к первому входу схемы сравнения и измеритель крутящего момента буровой колонны, подсоединенный своим выходом к второму входу схемы сравнения, выход которой является входом привода вращения буровой колонны) и сочлененным своим выходом со шпинделем, охватывающим своим зажимным патроном соответствующий участок внешней поверхности буровой колонны;
- измеритель скорости подачи бурового породоразрушающего инструмента, подсоединенный своим выходом к соответствующему входу блока управления вращением буровой колонны;
- привод осевой подачи усилия на буровую колонну, подсоединенный своим входом к выходу источника сигналов задания блока управления вращением буровой колонны (задатчик осевой нагрузки буровой колонны, подсоединенный своим выходом к первому входу схемы сравнения и измеритель осевой нагрузки буровой колонны, подсоединенный своим выходом к второму входу схемы сравнения, выход которой является входом привода осевой подачи усилия на буровую колонну);
- маслонасос, подсоединенный своим первым входом к выходу привода подачи усилия на буровую колону и своим вторым входом к внутренней полости маслобака;
- электрогидравлический регулятор, подсоединенный своим входом к выходу маслонасоса, своим первым выходом к внутренней полости маслобака, своим вторым входом и своим вторым выходом к внутренним полостям гидроцилиндров закрепленных внутри буровой установки и взаимодействующих концами своих штоков с буровой колонной и своими управляющими входами к соответствующим выходам блока управления вращения буровой колонны;
- привод подачи очистного агента, подсоединенный своим входом к выходу источника сигналов задания блока управления вращением буровой колонны (задатчик давления очистного агента, подсоединенный своим выходом к первому входу первой схемы сравнения и измеритель давления очистного агента, подсоединенный своим выходом к второму входу первой схемы сравнения, подсоединенной своим выходом к первому входу схемы «или», а также задатчик расхода очистного агента, подсоединенный своим выходом к первому входу второй схемы сравнения, и измеритель расхода очистного агента, подсоединенный своим выходом к второму входу второй схемы сравнения, подсоединенной своим выходом к второму входу схемы «ИЛИ», выход которой является входом привода подачи очистного агента);
- буровой насос, подсоединенный своим первым входом к выходу привода подачи очистного агента, своим вторым входом к внутренней полости резервуара с растворенным в воде очистным агентом и своим выходом через вход датчика давления очистного агента и датчик расхода очистного агента к верхнему участку внутренней буровой колонны, сообщающейся своим нижним участком через канал с внутренней полостью резервуара с растворенным в воде очистным агентом.
Общими признаками предлагаемого технического решения по патенту №2055175 и прототипа являются:
- буровая колонна с буровым породоразрушающим инструментом, размещенным в забое скважины;
- привод вращения шпинделя, сочлененный своим выходом со шпинделем, охватывающим своим зажимным патроном соответствующий участок внешней поверхности буровой колонны;
- первый и второй гидроцилиндры, закрепленные внутри буровой установки, и взаимодействующие концами своих штоков с буровой колонной;
- датчик скорости вращения шпинделя, подсоединенный своим входом к соответствующему выходу привода вращения шпинделя;
- датчик перемещения шпинделя, установленный внутри буровой установки;
- привод осевой подачи усилия на буровую колонну;
- маслонасос, подсоединенный своим первым входом к выходу привода осевой подачи усилия на буровую колонну и своим вторым входом к внутренней полости маслобака;
- электрогидравлический регулятор, подсоединенный своим первым входом к выходу маслонасоса, своим первым выходом к внутренней полости маслобака и своим вторым входом и своим вторым выходом к внутренним полостям первого и второго гидроцилиндров;
- привод подачи очистного агента;
- насос для перекачки очистного агента, подсоединенный своим первым входом к выходу привода подачи очистного агента и своим вторым входом к внутренней полости резервуара с очистным агентом;
- датчик давления очистного агента, подсоединенный своим входом к выходу насоса для перекачки очистного агента;
- датчик расхода очистного агента, подсоединенный своим входом к выходу насоса для перекачки очистного агента и своим выходом к верхнему участку внутренней поверхности буровой колонны;
- контроллер (блок управления вращением буровой колонны), подсоединенный своими соответствующими входами к с соответствующим выходам узла ввода команд, датчика скорости вращения шпинделя, датчика давления масла, датчика перемещения шпинделя, датчика давления очистного агента и датчика расхода очистного агента и своими соответствующими выходами к соответствующим управляющим входам электрогидравлического регулятора, к входу привода вращения шпинделя, к входу привода осевой подачи усилия на буровую колонну и к входу привода подачи очистного агента.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из охарактеризованных аналогичных технических решений заключается в создании оптимальных условий процесса проведения бурения скважин.
Причиной невозможного достижения охарактеризованного технического результата является то, что в известных аналогичных технических решениях, вопросы создания оптимальных условий проведения бурения скважин, как правило, решаются путем использования различных видов датчиков и измерителей (датчик положения шпинделя, измерителя глубины скважины, задатчик давления очистного агента и т.д.), зачастую усложняющих техническую реализацию известных устройств для бурения скважин, при этом поиску других более эффективных технических решений должного внимания не уделялось.
Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений можно сделать вывод, что задача создания устройств для бурения скважин, имеющих более эффективные условия проведения бурения скважин является актуальной на сегодняшний день.
Технический результат, указанный ранее, достигается тем, что в устройстве для бурения скважин, содержащим буровую колонну с буровым породоразрушающим инструментом, размещенным в забое скважины, привод вращения шпинделя, сочлененный своим выходом со шпинделем, охватывающим своим зажимным патроном соответствующий участок внешней поверхности буровой колонны, первый и второй гидроцилиндры, закрепленные внутри буровой установки, и взаимодействующими концами своих штоков с буровой колонной, датчик скорости вращения шпинделя, подсоединенный своим входом к выходу привода вращения шпинделя, датчик перемещения шпинделя, установленный внутри буровой установки, привод осевой подачи усилия на буровую колонну, маслонасос, подсоединенный своим первым входом к выходу привода осевой подачи усилия на буровую колонну и своим вторым входом к внутренней полости маслобака, электрогидравлический регулятор, подсоединенный своим первым входом к выходу маслонасоса, своим первым выходом к внутренней полости маслобака, своим вторым входом и своим вторым выходом к внутренним полостям первого и второго гидроцилиндров, привод подачи очистного агента, насос для перекачки очистного агента, подсоединенный своим первым входом к выходу привода подачи очистного агента и своим вторым входом к внутренней полости резервуара с очистным агентом, датчик давления очистного агента, подсоединенный своим входом к выходу насоса для перекачки очистного агента, датчик расхода очистного агента, подсоединенный своим входом к выходу насоса для перекачки очистного агента и своим выходом к верхнему участку внутренней поверхности буровой колонны и контроллер, подсоединенный своими соответствующими входами к соответствующим выходам узла ввода команд, датчика скорости вращения шпинделя, датчика перемещения шпинделя, датчика давления масла, датчика давления очистного агента и датчика расхода очистного агента и своими соответствующими выходами к соответствующим управляющим входам электрогидравлического регулятора, к входу привода вращения шпинделя, к входу привода осевой подачи усилия на буровую колонну и к входу привода подачи очистного агента снабженного вентилем, подсоединенным своим входом к выходу маслонасоса и своим выходом к внутренней полости маслобака, а электрогидравлический регулятор выполнен трехпозиционным.
Введение вентиля и его подсоединения и выполненные электрогидравлического регулятора трехпозиционным и его подсоединения, как указано выше, позволяют, при включении привода вращения шпинделя и буровой колонны, закрепленной в его зажимном патроне, осуществить бурение скважины и осуществить, через трехпозиционный регулятор, имеющий менее сложную техническую реализацию, подачу масла в гидроцилиндры, избыток масла которого при максимальной скорости вращения маслонасоса и отключенных каналов трехпозиционного электрогидравлического регулятора сливается через вентиль во внутреннюю полость маслобака, сохраняя при этом максимально возможное давление масла в гидроцилиндрах, а в случая возникновения ситуаций, связанных преждевременным выходом из строя бурового породоразрушающего инструмента (при его нагревании при бурении, например, твердых пород) за счет подачи необходимого и достаточного количества очистного агента, определяемого требованиями бурения скважины, которые обеспечиваются приводом подачи очистного агента и его элементами и исключающие непроизводительные затраты электроэнергии и преждевременный выход из строя бурового породоразрушающего инструмента и обеспечивающие таким образом создание оптимальных условий процесса проведения бурения скважин. В чем и проявляется достижение вышеуказанного технического результата.
Предлагаемое устройство для бурения скважин поясняется описанием и чертежом, на котором представлена функциональная схема предлагаемого устройства для бурения скважин, которое содержит:
- буровую колонну - 1, подвешенную своим верхним концом с помощью крюка, прикрепленного к талевому блоку, через ведущую бурильную трубу и вертлюг, позволяющий осуществлять вращение буровой колонны - 1 относительно крюка (крюк, талевой блок, ведущая бурильная труба и вертлюг на чертеже не представлены), с буровым породоразрушающим инструментом - 2, размещенном в забое - 3 скважины;
- привод - 4 вращения шпинделя - 5, установленный на буровой вышке (на чертеже не представленной), и сочлененный своим выходом со шпинделем - 5, охватывающим своим зажимным патроном (на чертеже не представленном) соответствующий участок внешней поверхности буровой колонны - 1;
- датчик - 6 скорости вращения шпинделя - 5, подсоединенный своим входом к соответствующему выходу привода - 4 вращения шпинделя - 5;
- датчик перемещения - 7 шпинделя - 5, установленный внутри буровой установки;
- систему осевой подачи усилия на буровую колонну - 1, выполненную в виде привода - 9 осевой подачи усилия на буровую колонну - 1, маслонасоса - 10, подсоединенного своего первым входом - 11 к выходу привода - 9 осевой подачи усилия на буровую колонну - 1, своим вторым входом - 12 к внутренней полости маслобака - 13, трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14. Подсоединенного своим первым входом к выходу маслонасоса - 10 и своим первым выходом к внутренней полости маслобака - 13, своим вторым входом и своим вторым выходом к внутренним полостям гидроцилиндров - 15, 16; закрепленных внутри буровой установки и упирающихся концами своих штоков в нижнюю поверхность опорного кольца - 17, взаимодействующего своей внутренней поверхностью окружности с соответствующим участком внешней поверхности буровой колонны - 1 и датчика давления - 18 масла, подсоединенного своим входом к выходу маслонасоса - 10;
- систему подачи очистного агента, выполненную в виде привода - 19 подачи очистного агента, насоса - 20 для перекачки очистного агента, подсоединенного своим первым входом - 21 к выходу привода - 19 подачи очистного агента, своим вторым входом - 22 к внутренней полости резервуара - 23 с водой и своим выходом - 24 через вход датчика - 25 давления очистного агента и датчик - 26 расхода очистного агента к верхнему участку - 27 внутренней поверхности буровой колонны - 1, сообщающейся своим нижним участком через канал - 28 с внутренней полостью резервуара - 23 с растворенным в воде очистным агентом;
- вентиль - 29, подсоединенный своим входом к выходу маслонасоса - 10 и своим выходом к внутренней полости маслобака - 13;
- контроллер - 30, выполненный, например в виде арифметического-логического устройства (АЛУ) - 31, генератора - 32, подсоединенного своим выходом к первому входу АЛУ - 31, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) - 33, подсоединенного своим выходом ко второму входу АЛУ - 31 и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) - 34, подсоединенного своим выходом к третьему входу АЛУ - 31 и своим входом к первому выходу АЛУ - 31, и подсоединенный своими соответствующими входами к выходам соответствующих датчиков (т.е. первый вход контроллера - 30 подсоединен к выходу датчика - 6 скорости вращения шпинделя - 5, второй вход контроллера - 30 подсоединен к выходу датчика перемещения - 7 шпинделя - 5, третий вход контроллера - 30 подсоединен к выходу датчика - 18 давления масла на выходе насоса - 10, четвертый вход контроллера - 30 подсоединен к выходу датчика - 25 давления очистного агента и пятый вход котроллера - 30 подсоединен к выходу датчика - 26 расхода очистного агента и шестой вход контроллера - 30 подсоединен к выходу узла - 35 ввода команд), а своими соответствующими: первым выходом к входу привода - 4 вращения шпинделя - 5, вторым выходом к входу привода - 9 осевой подачи усилия на буровую колонну - 1, третьим выходом к первому управляющему входу - 36 трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14, четвертым выходом ко второму управляющему входу - 37 трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14, пятым выходом к входу дисплея - 38 и шестым выходом к входу привода - 19 подачи очистного агента.
Предлагаемое устройство для бурения скважины работает следующим образом.
Буровую колонну - 1, подвешенную своим верхним концом с помощью крюка, прикрепленного к выходу талевого блока, через ведущую бурильную трубу и вертлюг, позволяющий осуществлять вращение буровой колонны - 1 относительно крюка, с буровым породоразрушающим инструментом - 2, устанавливают над забоем - 3 будущей скважины.
Включают привод - 4 вращения шпинделя - 5, который в соответствии с сигналом задания, поступающим с первого выхода котроллера - 30, осуществляет вращение шпинделя - 5, который своим зажимным патроном зажимает соответствующий участок внешней поверхности буровой колонны - 1, и осуществляет вращение буровой колонны - 1.
Для создания осевой нагрузки на буровую колонну - 1, включают привод - 9 осевой подачи усилия на буровую колонну - 1 (входящего в систему осевой подачи усилия на буровую колонну - 1), который в соответствии с сигналом задания, поступающим со второго выхода контроллера - 30, осуществляет включение в работу маслонасоса - 10 и подачу с его выхода масла из маслобака - 13 на первый вход трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14, который при поступлении сигнала с 4-го выхода контроллера - 30 на второй управляющий вход - 37 срабатывает и обеспечивает подачу масла в надпоршневые полости первого - 15 и второго - 16 гидроцилиндров, которые в результате поступившего масла и его заданного давления обеспечивают требуемое значение осевой нагрузки, путем воздействия на шпиндель - 5 привода - 4 вращения буровой колонны - 1 и на буровую колонну - 1 в целом, при этом слив масла из подпоршневых полостей первого - 15 и второго - 16 гидроцилиндров осуществляется через первый выход трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14. Для компенсации избыточной производительности маслонасоса - 10 к подающей магистрали подсоединен вентиль - 29, слив через который отрегулирован таким образом, чтобы при максимальной скорости вращения маслонасоса - 10 и отключенных каналах трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14, обеспечить максимальное давление в системе. При работе заданное давление масла в гидроцилиндрах - 15 и 16 поддерживается «ПИД»-регулятором, функции которого реализованы контроллером - 30, который сравнивает сигналы с выхода датчика давления масла - 18, поступающего на третий вход контроллера - 30 с сигналом, заданным узлом ввода команд - 35, и выдает скомпенсированный сигнал на привод - 9.
Для создания усилия разгрузки, направленного вверх в тех случаях, когда вес буровой колонны - 1 больше требуемой нагрузки на породоразрушающий инструмент - 2, привод - 9 осевой подачи усилия на буровую колонну - 1 (входящего в систему осевой подачи усилия на буровую колонну - 1), в соответствии с сигналом задания, поступающим со второго выхода контроллера - 30 на его вход, осуществляет включение в работу маслонасоса - 10 и подачу с его выхода масла из маслобака - 13 на первый вход трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14, который при поступлении сигнала с третьего выхода котроллера - 30 на первый управляющий вход - 36 трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14 срабатывает и обеспечивает подачу масла в подпоршневые полости первого - 15 и второго - 16 гидроцилиндров, который в результате поступившего масла и его заданного давления обеспечивают требуемое значение усилия разгрузки, путем воздействия на шпиндель - 5 привода - 4 вращения буровой колонны - 1 и на буровую колонну - 1 в целом, а слив масла из надпоршневых полостей первого - 15 и второго - 16 гидроцилиндров осуществляется через первый выход трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14. При работе заданное давление масла в гидроцилиндрах - 15 и 16 поддерживается «ПИД»-регулятором, функции которого реализованы котроллером - 30, который сравнивает сигнал с датчика давления масла - 18, поступающего на третий вход контроллера - 30 с сигналом, заданным узлом ввода команд - 35, и выдает скомпенсированный сигнал на привод - 9. Т.к. при бурении разгрузкой вычитается избыточное усилие на породоразрушающий инструмент - 2, а разностью усилий создается необходимая нагрузка на него, в процессе работы при вращении буровой колонны - 1 обеспечивается проходка. Поршни гидроцилиндров 15 и 16, перемещаясь вниз, вытесняют масло из нижних полостей, кроме того, маслонасос - 10 создает приток масла для обеспечения необходимого давления, таким образом, создается избыток масла. Для слива избытка масла использован вентиль - 29, через который масло поступает в маслобак - 13. В надпоршневые полости гидроцилиндров 15 и 16 масло при движении поршней вниз свободно поступает через открытый второй выход трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14, соединенного с внутренней полостью маслобака - 13.
Для осуществления необходимого процесса бурения скважины, предотвращения преждевременной поломки бурового породоразрушающего инструмента - 2 (за счет его частичного охлаждения) и извлечения из внутренней полости забоя - 3 скважины измельченной породы, включают привод - 19 подачи очистного агента (входящего в состав системы подачи очистного агента), который в соответствии с сигналом задания, поступающим с шестого выхода контроллера - 30 на его вход, осуществляет включение в работу насоса - 20 и подачу очистного агента из резервуара - 23 с водой через датчик - 25 давления очистного агента и через датчик - 26 расхода очистного агента к верхнему участку - 27 внутренней поверхности буровой колонны - 1, а затем и через канал - 28 возврат очистного агента в резервуар - 23 с растворенным в воде очистным агентом.
Одновременно с вышеизложенным процессом бурения скважины с выхода датчика - 6 скорости вращения шпинделя - 5 и с выхода датчика - 7 перемещения шпинделя - 5 на входы 1 и 2 контроллера - 30 поступают сигналы, соответствующие скорости вращения и перемещения шпинделя - 5, которые в соответствии с сигналом задания и управления процессом бурения скважины, поступающими с выхода узла - 35 ввода команд на шестой вход контроллера - 30 в соответствии с программой, записанной в ПЗУ - 33 обрабатываются и на выходе - 1 контроллера - 30 формируется соответствующий сигнал, который поступает на вход привода - 4, вращения шпинделя - 5, обеспечивающего вращение привода - 4 вращения шпинделя - 5 и буровой колонны - 1.
Одновременно с этим с выхода датчика - 25 давления очистного агента и с выхода датчика - 26 расхода очистного агента на четвертый и пятый входы контроллера - 30, поступают сигналы соответствующие давлению и расходу очистного агента, которые в соответствии с сигналами задания и управления процессом бурения скважины, поступающими с выхода узла - 35 ввода команд на шестой вход контроллера - 30 и в соответствии с программой записанной в ПЗУ - 33 обрабатываются и на выходе - 6 контроллера - 30 формируется соответствующий сигнал, который поступает на вход привода - 19 подачи очистного агента и корректирует заданное значение сигнала, обеспечивающего требуемую величину подачи очистного агента в буровую колонну - 1.
При необходимости подсоединения к буровой колонне - 1, каждой последующей бурильной трубы, отключают привод - 4 вращения шпинделя - 5, подсоединяют следующую бурильную трубу, вновь включают привод - 4 вращения шпинделя - 5 с буровой колонной - 1 и продолжают процесс бурения скважины.
При этом весь процесс бурения скважины отображается на дисплее - 38, подсоединенном к пятому выходу контроллера - 30.
Таким образом, предлагаемое устройство для бурения скважин позволяет, за счет введения вентиля - 29, выполнения электрогидравлического регулятора - 14 в виде трехпозиционного электрогидравлического регулятора - 14 и их подсоединений при установке на буровую колонну - 1 каждой последующей буровой трубы, осуществить эффективное бурение скважин, за счет автоматического регулирования производительности маслонасоса - 10 и за счет дополнительного слива масла с выхода насоса - 10 в маслобак - 13 через вентиль - 29 и тем самым сократить время на получение оптимального усилия на буровую колонну - 1 при бурении скважины.