УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО

Полезная модель относится к области машиностроения, в основном к бурению скважин с гидравлическим забойными двигателями (ГЗД), и, в частности, к бурению направленно-искривленных скважин с большими зенитными углами и с горизонтальными участками их ствола.
В бурении глубоких скважин известны электромагнитные, механические и гидромеханические устройства для формирования осевой нагрузки на долото.
Известно устройство, устанавливаемое между бурильной колонной и забойным двигателем [Изосимов А.М. Устройство для создания осевой нагрузки на долото. // Бурение и нефть. - 2008. - №1. - С.46-47.] Устройство состоит из корпуса, внутри которого размещена электромагнитная катушка, полого штока квадратного сечения с немагнитной нижней частью, пружины, смягчающей возможные резкие перемещения штока, уплотнения, контактной муфты, контактного стержня, с закрепленными на нем клапанами, седла и электроприводного якоря. Работа устройства основана на подаче электроэнергии с необходимыми напряжением и силой тока в электроприводный якорь, который выдвигается и контактирует со стенками скважины, воспринимая силу реакции забоя, и электромагнитную катушку, которая за счет электромагнитных сил перемещает шток и создает осевую нагрузку на долото. Устройство имеет свои определенные недостатки: процесс формирования нагрузки на долото происходит не непрерывно - после выработки хода штока устройство отключается, регулятор подачи долота перемещает бурильную колонну вместе с корпусом устройства в сторону забоя, после чего процесс повторяется; нет механизма для передачи осевых вибраций долота бурильной колонне, что необходимо для снижения сил трения лежащего на нижней стенке скважины бурильного инструмента; в устройстве, кроме промывочного узла долота, нет механизмов для образования осевого гидравлического усилия на долото, в связи, с чем между подачами к забою нижнего конца колонны осевая нагрузка на долото после выработки хода штока может снижаться до нуля; формирование осевой нагрузки на долото затрудняется из-за сложности конструктивного выполнения утяжеленных труб, в которые необходимо встраивать электрокабель.
Для осуществления формирования осевой нагрузки на долото при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин известно устройство, устанавливаемое между валом забойного двигателя и долотом [Лузянин Г.С., Галиченко В.П., Разуваев В.Д., Матвеенко Л.М., Гордеев Ю.П., Смирнов В.Н. Результаты промысловых испытаний усилителя нагрузки на долото. // Нефтяное хозяйство. - 1994. - №12. - С.26-29.], которое состоит из корпуса, образованного двумя свинчиваемыми переводниками с присоединительными резьбами, с установленными в нем решеткой и перегородкой с боковым отверстием, между которыми находится упорная втулка, в полости которой расположен массивный шар. Шар, катаясь по внутренней поверхности втулки вследствие вращения устройства, периодически неполностью перекрывает отверстие перегородки, в результате возникает частичный гидравлический удар, давление которого дает силу, приложенную внезапно в направлении забоя и способствующую преодолению силы трения бурильной колонны о стенки скважины и передаче нагрузки на долото.
Несмотря на конструктивную простоту и надежность устройства, ему тоже присущи определенные недостатки: для обеспечения работы устройства необходимо перекатывание шара по внутренней поверхности втулки, а это возможно только при вращении бурильной колонны; частота срабатывания устройства находится в прямой зависимости от частоты вращении бурильной колонны; в устройстве нет механизма для передачи осевых вибраций долота бурильной колонне.
Также известно [RU 2124617 С1, МПК 6 Е21В 4/02, 19/08, опубл. 1999] устройство для формирования осевой нагрузки на долото, устанавливаемое между бурильной колонной и забойным двигателем, состоящее из переводника, в котором соосно установлены дополнительная проточная осевая опора скольжения, упругий элемент, например стальная витая пружина, для плавной передачи осевых усилий от колонны на верхний торец вала забойного двигателя, стальная втулка для жесткой передачи бурильной колонне осевых вибраций от верхнего торца вала, а также генератор, например тарельчатый клапан, осевого гидравлического усилия, передаваемого на верхней торец вала забойного двигателя, при этом подпятник дополнительной осевой опоры выполнен в виде стакана и установлен на верхний торец вала забойного двигателя, пята выполнена в виде сменного стержня с шаровой рабочей поверхностью и установлена в корпусе пяты, пружина и втулка установлены на корпусе пяты, над пружиной и втулкой установлена траверса с отверстиями для протекания промывочной жидкости со встроенным в траверсу тарельчатым клапаном для генерирования в нем перепада давления, причем тарелка клапана закреплена на штоке, который жестко встроен в выступ на верхней центральной части корпуса пяты, втулка выполнена с отверстиями для свободного протекания промывочной жидкости из-под клапана к отверстиям в корпусе пяты, при этом между верхним торцом втулки и траверсой выполнен зазор, величину которого регулируют кольцами, расположенными над траверсой, при этом кольца прижимают рабочим переводником.
Недостатком устройства является низкая износостойкость дополнительной осевой опоры, в которой трение вращающегося подпятника и неподвижной пяты происходит при больших контактных нагрузках.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип [RU 77329 U1, МПК 6 Е21В 4/02, 19/08, опубл. 2008], является устройство для формирования осевой нагрузки на долото, устанавливаемое между бурильной колонной и забойным двигателем, состоящее из переводника, в котором соосно установлены дополнительная проточная осевая опора скольжения, упругий элемент, например стальная витая пружина, для плавной передачи осевых усилий от колонны на верхний конец вала забойного двигателя, стальная втулка для жесткой передачи бурильной колонне осевых вибраций от верхнего конца вала и выполненный в виде тарельчатого клапана генератор осевого гидравлического усилия, передаваемого на верхний конец вала забойного двигателя, при этом подпятник дополнительной проточной осевой опоры скольжения выполнен в виде втулки и двух дисков, закреплен гайкой на верхнем конце вала забойного двигателя, пята выполнена в виде кольца с обрезиненными контактирующими поверхностями и установлена в корпусе, имеющим возможность перемещаться в осевом направлении по шпонке относительно корпуса устройства.
Недостатком устройства является узкий диапазон регулирования перепада гидравлического давления, а также низкая износостойкость тарельчатого клапана и втулки.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение скорости проходки скважин и снижение стоимости 1 м бурения. Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в увеличении диапазона регулирования перепада гидравлического давления и повышения надежности устройства за счет изменения количества и формы тарельчатого клапана и повышения износостойкости тарельчатого клапана применением тарелок и седел из твердого сплава.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для формирования осевой нагрузки на долото, содержащим бурильную колонну и присоединенный к ней переводником забойный двигатель с осевой опорой, между валом забойного двигателя и бурильной колонной над двигателем в переводнике соосно установлены дополнительная проточная осевая опора с подпятником, упругий элемент в виде стальной витой пружины для плавной передачи осевых усилий от бурильной колонны на верхний конец вала забойного двигателя, втулка для жесткой передачи бурильной колонне осевых вибраций от верхнего конца вала забойного двигателя, и выполненный в виде тарельчатого клапана генератор осевого гидравлического усилия, передаваемого на верхний конец вала забойного двигателя, новым является то, что генератор осевого гидравлического усилия имеет несколько тарельчатых клапанов, тарелки которых выполнены в виде твердосплавных втулок с юбкой и установленными в траверсе твердосплавными седлами.
Устройство представлено на чертеже.
Устройство для формирования осевой нагрузки на долото содержит размещенные соосно в переводнике между бурильной колонной и забойным двигателем дополнительную проточную осевую опору, содержащую подпятник, выполненный в виде втулки 1 и двух дисков 2, закрепленных пружинной шайбой 3 и гайкой 4 на верхнем конце вала 5 забойного двигателя, пяту 6, выполненную в виде кольца с обрезиненными контактирующими поверхностями, закрепленную в корпусе 7 разрезной гайкой 8 со стопорным винтом 9, отверстий 10 в корпусе 7, шпонку 11, установленную между корпусом 7 и переводником 12 для размещения в нем предлагаемого устройства, упругий элемент, например стальную витую пружину 13, для плавной передачи осевых усилий от бурильной колонны на верхний конец вала 5 забойного двигателя втулку 14 с отверстиями 15 для жесткой передачи бурильной колонне осевых вибраций от верхнего конца вала 5, два штока 16 для крепления тарелок 17 клапанов, выполненных в виде твердосплавных втулок с юбкой, с помощью кольца 18, пружинного кольца 19 и гайки 20, верхней траверсы 21 с отверстиями 22 и со встроенными в ней твердосплавными седлами 23, выполняющих роль генератора осевого гидравлического усилия, передаваемого на вал забойного двигателя, рабочий переводник 24, регулировочные кольца 25, уплотнения 26 и корпус 27 забойного двигателя.
Устройство работает следующим образом.
После установки подпятника, выполненного в виде втулки 1 и двух дисков 2, закрепленных пружинной шайбой 3 и гайкой 4 на верхнем конце вала 5 забойного двигателя и всего устройства на корпусе 27 забойного двигателя, кольцами 25 и переводником 24 поджимают пружину 13 до ее осевого размера с образованием расчетной величины зазора между верхним торцом втулки 14 и траверсой 21 для передачи от вала 5 бурильной колонне необходимых по параметрам осевых вибраций, поступающих от долота. Одновременно с поджатием пружины 13 устанавливают начальное положение тарелки 17 клапана в отверстии седла 23 клапана, встроенного в траверсе 21, для обеспечения средней проектной величины перепада давления в отверстиях 22 и клапане, встроенном в траверсе 21, а, следовательно, для обеспечения начальной расчетной величины дополнительного гидравлического осевого усилия на верхний торец вала 5. Далее работу устройства для формирования осевой нагрузки на долото рассмотрим для случая бурения скважины на ее горизонтальном или наклонном участках.
Во время подачи колонны к забою под действием осевого усилия, передаваемого от колонны через переводник 24 и кольца 25, траверса 21 перемещается в направлении к валу 5 гидравлического забойного двигателя, пружина 13 сжимается, зазор между траверсой 21 и втулкой 14 уменьшается, одновременно с этим процессом через посредство дисков 2 подпятника, пяты 6, корпуса 7, втулки 14, траверсы 21 и колец 25 интенсифицируется передача бурильной колонне осевых вибраций от вала двигателя, в результате чего силы трения колонны о стенки скважин снижаются, и колонна более свободно перемещается к забою и быстрей формируется проектная величина осевой нагрузки на долото. В конце подачи колонны к забою тарелка 17 клапана находится в своем верхнем относительно траверсы 21 положении, а зазор между втулкой 14 и траверсой 21 и гидравлическое осевое усилие на вал двигателя от действия перепада давления в колонне становятся минимальными. В это время наиболее широк диапазон осевых вибраций, передаваемых от верхнего торца вала 5 бурильной колонне, а осевая нагрузка на долото максимальная и передается на него с более высоким КПД, чем при отсутствии предлагаемого устройства.
По мере разрушения забоя скважины в промежутке времени между подачами колонны к забою, шток 16 и тарелка 17 клапана смещается в сторону забоя, пружина 13 разжимается, зазор между траверсой 21 и втулкой 14 увеличивается, а диапазон вибраций, передаваемых колонне от торца вала двигателя, сужается, но на колонну, лежащую на нижней стенке скважины, продолжают воздействовать указанные вибрации в основном с повышенными амплитудами, при этом нижняя часть колонны продолжает смещаться к забою, догружая долото осевым усилием. В момент времени между подачами колонны, при смещении к забою штока 16 с тарелкой 17 клапана, площадь зазора для протекания жидкости через клапан уменьшается, а гидравлическое осевое усилие на траверсу 21 и далее на вал 5 двигателя возрастает, причем с повышенной пульсацией потока, обусловленной жесткой связью тарелки 17 с пятой 6 устройства.