ЗАБОЙНЫЙ МЕХАНИЗМ ПОДАЧИ
BOTTOM-HOLE FEEDING MECHANISM

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано преимущественно при бурении горизонтальных или близких к горизонтали участков ствола скважины, когда вследствие значительной силы трения между стенкой скважины и колонной бурильных труб процесс передачи осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент затруднен. Другой областью применения изобретения является бурение в условиях сильной осевой и крутильной вибрации породоразрушающего инструмента.
В практике бурения находят применение ряд способов и множество устройств, имеющих целью борьбу с указанными явлениями. Так, например, при бурении забойными двигателями практикуется проворачивание колонны бурильных труб, что исключает возникновение трения покоя между колонной труб и стенкой скважины в процессе строительства скважины. Известны также устройства, устанавливаемые над долотом и позволяющие осуществлять нагружение долота осевой нагрузкой за счет перепада давления на поршне [Патент №2310734].
Недостатком аналогов является их сложность и невозможность регулирования нагрузки на долото в процессе бурения.
Известен забойный механизм подачи, входящий в компоновку низа бурильной колонны, которая включает в себя бурильную колонну, долото, винтовой забойный двигатель и телескопическую систему, состоящую из цилиндра с отверстиями и поршня, соединенного с корпусом двигателя. На верхнем конце поршня установлено посадочное седло для размещения в нем стационарной или сбрасываемой втулки, выполненной с хвостовиком под овершот [Патент №2164582]. Известное техническое решение обладает следующими недостатками.
Недостаточная эффективность устройства, т.к. при его работе может произойти блокировка работы забойного двигателя из-за перегрузки долота осевой нагрузкой. Действительно, при росте крутящего момента на долоте (например, по причине изменения свойств разбуриваемых пород) на забойном двигателе соответственно будет возрастать перепад давления, что приведет к увеличению силы подачи рассматриваемого устройства, т.е. неприемлемому в данном случае увеличению нагрузки на долото. Это обстоятельство может вызвать циклическое последовательное увеличение нагрузки на долото вплоть до достижения двигателем тормозного крутящего момента, т.е. до его полной остановки, что, как известно, существенно снижает ресурс забойного двигателя (например, винтового двигателя). С другой стороны, подобный режим работы устройства, несомненно, будет отрицательно сказываться и на состоянии породоразрушающего инструмента.
Сложность процесса регулировки осевой нагрузки на долото также снижает эффективность устройства, т.к. замена в процессе бурения насадки с гидравлическим сопротивлением представляет собой непростую техническую задачу, особенно при бурении на горизонтальных участках.
Другим недостатком устройства является его ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что предложенное устройство не позволяет демпфировать осевые и крутильные колебания, возникающие при работе долота и забойного двигателя. Вместе с тем, устройство предназначено для работы лишь с забойным двигателем, в частности винтовым забойным двигателем, хотя известно, что объемы бурения с поверхностным приводом составляют значительную часть общего объема бурения, особенно за рубежом.
Задачей изобретения является повышение эффективности и расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная задача решается тем, что в забойном механизме подачи, включающем цилиндр, соединенный с бурильной колонной, размещенный в нем поршень и связанный с ним полый шпиндель, согласно изобретению шпиндель снабжен расположенным в цилиндре и образующим с ним и поршнем замкнутую камеру полым штоком, замкнутая камера снабжена дросселем и параллельным с ним гидравлическим каналом с подпружиненным обратным клапаном, причем наружный диаметр штока отличается от наружного диаметра поршня, а соединение шпинделя и цилиндра выполнено в виде шлицевой несамотормозящейся винтовой пары. Причем дроссель гидравлически связывает замкнутую камеру с внутренней полостью бурильной колонны. Или в другом случае дроссель гидравлически связывает замкнутую камеру с затрубным пространством.
По вопросу соответствия отличий предлагаемого технического решения критерию «изобретательский уровень» можем сообщить следующее.
Предложенное техническое решение содержит отличительные признаки, обеспечивающие достижение нового существенного результата, не присущего известным авторам аналогам. Так выполнение соединения шпинделя с цилиндром в виде винтовой пары позволяет обеспечить обратную связь между величиной осевой нагрузки на долото и крутящим моментом, в результате устройство позволяет обеспечить автоматическое регулирование осевой нагрузки на долото в зависимости от крутящего момента на нем. С другой стороны, выполнение в устройстве замкнутой камеры с дросселирующим каналом позволяет осуществлять гашение осевых и крутильных колебаний, испытываемых забойной компоновкой. Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения придают ему новые свойства - повышение эффективности одновременно с расширением функциональных возможностей. В доступных нам источниках мы не обнаружили сведений об устройствах, по конструкции аналогичных предложенному. По этим причинам, на наш взгляд, предложенное техническое решение может считаться соответствующим критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 изображен забойный механизм подачи в исполнении дросселя, гидравлически связывающего замкнутую камеру с внутренней полостью бурильной колонны, продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А фиг.1; на фиг.3 - узел подпружиненного обратного клапана в открытом состоянии клапана в масштабе 2:1 фиг.1; на фиг.4 изображен забойный механизм подачи в исполнении дросселя, гидравлически связывающего замкнутую камеру с затрубным пространством, продольный разрез, на фиг.5 - сечение А-А на фиг.4; на фиг.6 - узел подпружиненного обратного клапана в открытом состоянии клапана в масштабе 2:1 фиг.4. На фиг.1 и 4 расположение элементов устройства соответствует установившемуся режиму процесса бурения.
Устройство содержит гидравлический цилиндр 1, жестко связанный с рабочей колонной труб 2 посредством резьбового соединения. Внутри цилиндра 1 расположен с возможностью осевого перемещения шпиндель 3, взаимодействующий с цилиндром 1 посредством шлицевой винтовой пары 4. Угол подъема винта выполнен таким, чтобы обеспечить несамотормозящую подвижность, т.е. реверсивность, в результате чего шпиндель 3 имеет возможность перемещаться относительно цилиндра 1 под действием как крутящего момента, так и осевой силы. Шпиндель 3 снабжен взаимодействующим с внутренней поверхностью цилиндра 1 поршнем 5, который в свою очередь жестко связан с расположенным по оси цилиндра 1 полым штоком 6, причем наружный диаметр штока 6 отличается от наружного диаметра поршня 5. Полый шток 6, поршень 5 и цилиндр 1 образуют замкнутую камеру 7, которая снабжена дросселем с параллельным гидравлическим каналом с подпружиненным обратным клапаном с запорным элементом 8 и пружиной 9. Шпиндель 3 устройства жестко крепится к забойной компоновке, основным элементом которой является, или просто долото (при бурении роторным способом), или долото с забойным двигателем (при бурении забойным двигателем). В нижней части цилиндра 1 под поршнем 5 выполнено дыхательное отверстие 10.
В случае исполнения забойного механизма подачи по фиг.1 поршень 5 снабжен уплотнительным кольцом 11, а дроссель выполнен в виде концентрического канала 12 между штоком 6 и цилиндром 1, который гидравлически связывает замкнутую камеру 7 с внутренней полостью рабочей колонны труб 2. В свою очередь, параллельный гидравлический канал 13 связывает замкнутую камеру 7 с внутренней полостью рабочей колонны труб 2.
В случае исполнения забойного механизма подачи по фиг.4 полый шток 6 взаимодействует с цилиндром 1 через уплотнительное кольцо 14, а дроссель выполнен в виде концентрического канала 15 между поршнем 5 и цилиндром 1, который гидравлически связывает замкнутую камеру 7 с затрубным пространством. В свою очередь, параллельный гидравлический канал 16 связывает замкнутую камеру 7 с затрубным пространством.
Устройство работает следующим образом.
Устройство устанавливают над вышеуказанной забойной компоновкой на рабочей колонне труб 2. В момент начала бурения давление, определяемое перепадом давления в компоновке (в долоте, или в долоте совместно с забойным двигателем), расположенной ниже устройства, действует на поршень 5 с уплотнительным кольцом 11 (фиг.1) и передается на нижележащую компоновку, создавая осевую нагрузку на долото. В таком режиме работы, когда движение шпинделя 3 вниз относительно неподвижного цилиндра 1 происходит со скоростью углубления долота, движение жидкости в концентрическом канале 12 дросселя происходит без заметной потери давления, поэтому перепад давления, действующий на поршень 5, практически равен перепаду давления между полостью рабочей колонны труб 2 и затрубным пространством. После полного выхода шпинделя 3 из цилиндра 1 рабочая колонна труб 2 с поверхности подается в скважину на величину длины шпинделя 3, при этом в результате выполнения соединения шпинделя 3 и цилиндра 1 в виде шлицевой несамотормозящейся винтовой пары шпиндель 3 утапливается в цилиндре 1 и далее процесс повторяется. Если в процессе бурения произойдет рост крутящего момента на долото, под действием реактивного момента, действующего на шлицевую винтовую пару 4, в шпинделе 3 возникнет дополнительная осевая сила, направленная вверх, которая уменьшит суммарную силу подачи устройства, что снизит осевую нагрузку на долото. Данная реакция устройства на рост крутящего момента на долото зависит от угла и направления винтовой линии в шлицевой винтовой паре 4. Эта особенность устройства прерывает процесс роста крутящего момента на долото в самом его начале, и система переходит в первоначальное состояние.
В случае же, когда изменение момента на долото будет иметь резкий, скачкообразный характер, под действием данного ударного момента шпиндель 3 резко ввинчивается в цилиндр 1. При этом ввиду того, что наружный диаметр поршня 5 отличается от наружного диаметра штока 6, происходит резкое скачкообразное изменение объема замкнутой камеры 7, что вызывает резкий переток рабочей демпфирующей жидкости (буровой раствор) по концентрическому каналу 12 (фиг.1) дросселя во внутреннюю полость рабочей колонны труб 2. Вследствие трения жидкости в дросселе происходит поглощение энергии крутильного удара. Если удар очень сильный и превышает расчетную величину, то дополнительно к перетоку демпфирующей рабочей жидкости через дроссель ее некоторая часть перетекает через параллельный гидравлический канал 13 после открытия запорного элемента 8 обратного клапана. Величина перепада давления, при котором откроется параллельный гидравлический канал 13, определяется жесткостью пружины 9 обратного клапана, которая выставляется заранее при подготовке устройства к работе. После уменьшения крутящего момента на долото шпиндель 3 начинает плавно выдвигаться из цилиндра 1 устройства под действием выталкивающей силы, создаваемой забойным механизмом подачи, тем самым, предотвращая удар долота об забой. Плавное выдвижение шпинделя 3 обеспечивается дросселированием демпфирующей рабочей жидкости при ее перетоке через концентрический канал 12 дросселя в обратном направлении, т.к. при этом обратный клапан закрыт. Совершенно аналогичная картина будет наблюдаться и при воздействии на долото чисто осевых ударов, т.к. выполнение соединения шпинделя 3 и цилиндра 1 в виде шлицевой несамотормозящейся винтовой пары допускает перемещение шпинделя по оси устройства и под действием лишь только осевой силы.
Аналогичная картина работы устройства и в случае, когда забойный механизм подачи выполнен с дросселем, гидравлически связывающим замкнутую камеру с затрубным пространством (фиг.4). В этом случае, в момент начала бурения давление, определяемое перепадом давления в компоновке (в долоте, или в долоте совместно с забойным двигателем), расположенной ниже устройства, будет действовать на шток 6 с уплотнительным кольцом 14 и передаваться на нижележащую компоновку, создавая осевую нагрузку на долото. В случае же резкого увеличения крутящего момента будет происходить переток рабочей демпфирующей жидкости (буровой раствор) по концентрическому каналу 15 (фиг.6) дросселя в затрубное пространство.
Таким образом, за счет подбора оптимальных соотношений параметров винтовой пары и дросселя для конкретных скважинных условий становится возможным обеспечить не только автоматическое регулирование нагрузки на долото, но и обеспечить гашение продольных и крутильных колебаний, возникающих в компоновке низа бурильной колонны в процессе бурения скважины.
Рассмотрим более подробно составные части усилия подачи, развиваемого устройством.
Первая составляющая усилия подачи определяется перепадом давления на поршень 5 и равна (Fцил-Fшт)×(Ртр-Рзатр), где, Fцил - площадь поперечного сечения цилиндра 1 по внутренней поверхности; Fшт - площадь поперечного сечения полого штока 6 по наружной поверхности; Ртр - давление среды в полости труб 2 на уровне устройства; Рзатр - давление среды в затрубном пространстве снаружи устройства (определяется перепадом давления в забойной компоновке ниже устройства).
Вторая составляющая нагрузки определяется произведением площади поперечного сечения (Fшт) штока 6 по диаметру уплотнения (уплотнительный элемент 14) на перепад давления (Ртр-Рзатр), т.е. Fшт×(Ртр-Рзатр). Данная сила в буровой практике, например, при расчете нагрузок на гидравлический ясс, получила название «насосный эффект», а в практике нефтедобычи плунжерными штанговыми насосами - эффект Лубинского. Данная составляющая нагрузки зачастую не принимается во внимание, однако ее величина может достигать значительных величин и, по мнению авторов, несомненно, должна учитываться при работе предлагаемого устройства. С природой указанной силы можно ознакомиться в литературных источниках [Бурение и нефть, №12, 2008 г., стр.42].
Уменьшение пиковых значений момента, действующих на забойный двигатель (например, винтовой забойный двигатель), позволит избежать его работы в тормозном режиме и, тем самым, увеличить его ресурс. Вместе с тем, создание оптимальных осевых нагрузок на долото, с гашением продольных и крутильных колебаний, действующих на забойную компоновку, позволит также и существенно увеличить ресурс породоразрушающего инструмента.
Область применения устройства не ограничивается его использованием в составе компоновки с забойным двигателем - оно может найти применение и при бурении с верхним приводом без забойного двигателя. В этом случае развиваемая устройством нагрузка на долото будет определяется потерями давления рабочей жидкости или на гидромониторных насадках долота или, при необходимости, в специально для этого установленном ниже устройства штуцере.