ЗАБОЙНЫЙ ДЕМПФЕР

Полезная модель 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 нагрузка 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.
Известно устройство для автоматизации подачи долота, содержащее корпус, в верхней части соединенный 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 (патент РФ на изобретение №2447254, Е21В 19/08, Е21В 44/06, опубл. 10.01.2012 г.). Указанное устройство для автоматизации подачи долота можно взять в качестве аналога.
Недостатком известного устройства для автоматизации подачи долота является низкая эффективность диафрагмы, т.к. не обеспечивается герметичность кольцевой полости и диафрагмы, сложность конструкции, отсутствие дренажной системы, а также сложность обеспечения герметичности амортизационной камеры и диафрагмы.
Известно наддолотное устройство для шарошечного бурения, содержащее корпус с радиальными отверстиями, с верхним и нижним переходниками и продольными ребрами, армированными износостойким материалом, расположенный внутри корпуса амортизатор в виде штока с центральным каналом, набором предварительно сжатых посредством гайки упругих элементов и шлицевой парой для передачи крутящего момента, устройство снабжено расположенными в корпусе шламозащитными клапанами, маслоотражательной втулкой, влагоотделителем, дозатором, центральной воздухопроводной трубкой, соединенной подвижно с центральным каналом штока амортизатора, стаканом с крышкой, расположенными коаксиально воздухопроводной трубке с возможностью образования внутри стакана емкости для смазочного материала, а снаружи стакана совместно с корпусом, влагоотделителем и верхним переходником - кольцевого канала, сообщенного через радиальные отверстия в корпусе с затрубным пространством скважины, в штоке амортизатора выполнены радиальные отверстия, сообщенные с полостями упругих элементов и шлицевой пары, при этом дозатор размещен во внутренней части воздухопроводной трубки и сообщен с емкостью для смазки (патент РФ на изобретение №2027844, Е21В 10/24, опубл. 27.01.1995 г.).
Указанное наддолотное устройство по технической сущности более близко к предлагаемому забойному демпферу, и его можно взять в качестве прототипа.
Недостатком наддолотного устройства является ограниченность применения, так данное устройство предназначено для сухого бурения с использованием воздушно-водяной смеси для продувки забоя и смазки деталей забойного инструмента.
Техническими задачами предлагаемого забойного демпфера являются создание конструкции, позволяющей создать перепад давления в нижней части буровой колонны с целью повышения осевой нагрузки и увеличения механической скорости бурения, применение для бурения с использованием буровой жидкости для промывки забоя с выносом выбуренного шлама на устье скважины.
Требуемая техническая задача достигается забойным демпфером, содержащим корпус, переводник, шток-переводник, гайку, продольные ребра.
Новым является то, что шток-переводник оснащен узлом клапана с проточными отверстиями, в корпусе выполнены дренажные отверстия с фильтрами, содержащие каркас и сетку, между корпусом и шток-переводником выполнены жировые канавки, а между шток-переводником и шлицевым корпусом выполнено кольцевое пространство, в котором размещена пружина с защитными шайбами.
Новым является также то, что продольные ребра имеют форму лопастного калибратора.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображен забойный демпфер, в разрезе;
- на фиг.2 - шток-переводник, в разрезе;
- на фиг.3 - корпус шлицевой, в разрезе;
- на фиг.4 - узел клапана забойного демпфера при отсутствии осевой нагрузки;
- на фиг.5 - узел клапана забойного демпфера при созданной осевой нагрузке.
Забойный демпфер содержит корпус 1 (фиг.1), в верхней части соединенный с переводником 2, который в свою очередь соединяется с узлом клапана 3, у которого выполнены проточные отверстия 4. В нижней части корпус 1 разъемно соединяется со шлицевым корпусом 5. Во внутреннюю полость корпуса 1 входит шток-переводник 6 и фиксируется гайкой 7, при этом шток-переводник 6 может перемещаться внутри корпуса 1 относительно друг друга в определенном диапазоне L, где максимальное смещение шток-переводника 6 вниз ограничивается гайкой 7. Переводник 2 в сборе с узлом клапана 3 устанавливается на верхнюю часть шток-переводника 6 и соединяется с корпусом 1 резьбой. Конфигурация корпуса 1 и шток-переводника 6 в сборе создает кольцевую полость 8 по окружности между шток-переводником 6 и корпусом 1. Герметичность стыка между шлицевым корпусом 5 и шток-переводником 6, а также между шток-переводником 6 и узлом клапана 3 обеспечивают уплотнительные сальники 9. Корпус 1 и шток-переводник 6 соединяются разъемно. Как показано на фиг.2 и сечение А-А фиг.1, один из примеров разъемного соединения, на шток-переводнике 6 выполняются внешние зубцы 10, а на шлицевом корпусе 5 (фиг.3) - внутренние зубцы 11. В узле клапана 3 выполнены проточные отверстия 4 для прохождения бурового раствора к долоту (на фигурах не показан). На фигурах 4 и 5 стрелками показано направление движения бурового раствора. Между шток-переводником 6 и шлицевым корпусом 5 расположено кольцевое пространство 12, в котором размещена пружина 13, например, тарельчатая, с защитными шайбами 14. Для удаления «лишней» жидкости из кольцевой полости 8 и кольцевого пространства 12 служат дренажные отверстия 15 с фильтрами 16, содержащие каркас 17 и сетку 18. Дренажные отверстия 15 выполнены в корпусе 1. Забойный демпфер не обязательно может быть выполнен с дренажными отверстиями 15 и фильтрами 16. Между шток-переводником 6 и корпусом 1 выполнены жировые канавки 19, наполненные материалом, например войлоком, для фильтрации промывочной жидкости. Для ограничения хода шлицевого корпуса 5 до упора в выступ 20 служат гайка 7 и ограничители 21. Для предотвращения зауживания ствола скважины, прорабатывая ствол и поддерживая постоянным диаметр скважины, служат продольные ребра 22, выполненные в форме лопастного калибратора, установленный на шлицевом корпусе 5 неразъемно. На фиг.1 показан один из вариантов лопастного калибратора. Кроме того, продольные ребра 22 увеличивают жесткость компоновки в нижней части колонны бурильных труб, предохраняя ее от износа, а ствол скважины от искривления, резких перегибов, образования желобов и выступов.
Забойный демпфер работает следующим образом.
Забойный демпфер приводится во вращение от забойного двигателя (на фигурах не показан) при турбинном бурении скважины или от утяжеленной бурильной трубы (на фигурах не показан) при роторном способе бурения, а в случае бурения горизонтальных скважин вращение передается от бурильных труб (на фигурах не показан).
1
2
2
Корпус 1 (фиг.1) передает вращение штоку-переводнику 6 и далее на долото (на фигурах не показан). При отсутствии осевой нагрузки (фиг.4) на долото, т.е. с давлением P открываются проточные отверстия 4 узла клапана 3. При отсутствии осевой нагрузки площадь проточных отверстий 4 в узле клапана 3 максимальна. При создании осевой нагрузки на долото с давлением P (фиг.5) перемещается шток-переводник 6 вверх вдоль внутренней части корпуса 1 и узла клапана 3. При перемещении шток-переводника 6 вверх во внутрь корпуса 1 объем кольцевого пространства 12 уменьшается, происходит сжатие пружины 13, при этом верхняя часть шток-переводника 6 поднимается в узел клапана 3, и частично перекрывает проточные отверстия 4 с уменьшением проточной площади, за счет этого в переводнике 2 при постоянной подаче промывочной жидкости, увеличивается давление P, которое фиксируется на поверхности манометром, а в нижней части буровой колонны подобно домкрату создается сосредоточенная нагрузка на забой.
По мере разрушения и вымывания породы из-за сжатия пружины 13 шток-переводник 6 выдвигается вниз (происходит амортизирующий эффект) и увеличивает площадь проточных отверстий 4 в узле клапана 3, пружина 13 расжимается, при этом давление в переводнике 2 уменьшается, которое фиксируется на буровой манометром. Уменьшение давления в циркуляционной системе буровой означает смещение шток-переводника 6 в узле клапана 3 вниз с увеличением площади проточных отверстий 4 и необходимость спуска буровой колонны для создания необходимой осевой нагрузки на долото. Со спуском буровой колонны и создании осевой нагрузки на долото вышеуказанный процесс повторяется. В связи с перепадом давления в узле клапана 3 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.
Повышение давления в буровой колонне способствует созданию эффекта домкрата, т.е. удлинению буровой колонны и созданию сосредоточенной осевой нагрузки на забой, также и для определения наличия осевой нагрузки.
Благодаря этому техническому решению обеспечивается снижение стоимости бурения скважин за счет увеличения надежности, механической скорости бурения.