МЕХАНИЗМ ПОДАЧИ ДОЛОТА
MECHANISMS FOR FEEDING DRILL BITS

Изобретение относится к буровой технике, в частности к гидравлическим механизмам подачи буровых долот, позволяющим продолжать бурение наклонно-направленных или горизонтальных участков скважин при увеличении трения бурильной колонны о стенки скважины. Наряду с этим, при срыве колонны исключаются удары долота о забой и резкий рост крутящего момента на долоте, что приводит к увеличению долговечности оборудования в скважине.
Известно устройство для нагружения долота (авт. св. SU 1350323, приоритет 13.08.1985), в котором на полом валу, соединенном с валом забойного двигателя и долотом закреплено колесо насоса с лопатками. На колесо установлены центробежные перекрыватели, перекрывающие кольцевой зазор при вращении вала и прижимаемые к валу при остановке вращения. Недостатком известного устройства является то, что при спуске компоновки или подъеме колесо насоса может быть повреждено или послужить причиной прихвата инструмента.
Другим недостатком известного решения является то, что при бурении колесо находится в зоне восходящего после долота потока жидкости, и лопатками насоса с перекрытыми каналами оно не сможет обеспечить нагружение долота, скорее будет иметь место разгрузка долота.
Известно другое устройство для создания осевой нагрузки на долото (авт. св. SU 1514902, приоритет 17.11.1987), содержащее корпус, соединенный с валом двигателя. В корпусе выполнена цилиндрическая расточка, в которую вставлен полый шток с поршнем в верхней части, который в нижней части имеет резьбу для соединения с долотом. В средней части штока, имеющего форму квадрата в поперечном сечении, размещены центраторы, вращающиеся вместе со штоком и предотвращающие его изгиб, нагрузка на долото создается при движении промывочной жидкости, входящей в расточку корпуса и создающей давление через поршень на шток и долото.
Недостатком известного решения является потеря значительного давления промывочной жидкости, расходуемая на внезапное расширение потока при входе в расточку и последующее сужение потока при входе в центральное отверстие штока, а также потери при движении потока в центральном отверстии малого диаметра внутри штока.
Другим недостатком известного устройства является то, что центраторы на длинном штоке не позволяют управлять траекторией скважины и могут привести к поломке штока.
Наиболее близким решением к изобретению является патент RU 2164582 С2 (приоритет 16.06.1999, авторы: Балденко Д.Ф. и др.), в котором приведена компоновка низа бурильной колонны, включающая телескопическую систему, установленную между бурильной колонной и ВЗД, состоящую из цилиндра и расположенного внутри него поршня с полым хвостовиком, причем цилиндр соединен с бурильной колонной, а поршень с хвостовиком - с корпусом двигателя. На верхнем торце поршня выполнено посадочное седло для размещения в нем насадки. В нижней части цилиндра выполнены отверстия, сообщающие его внутреннюю полость с затрубным пространством. В расточке нижней части цилиндра выполнено шлицевое или другое соединение с хвостовиком поршня для передачи крутящего момента. При подаче бурового раствора давление, определяемое перепадом в двигателе и долоте, а также в насадке и отверстии хвостовика поршня, передается на корпус двигателя и на долото.
Недостатком известного решения является то, что поршень и шлицевое (или другое) соединение цилиндра с поршнем для передачи крутящего момента работают в гидроабразивной среде, что приводит к быстрому их износу и потере характеристик (осевого усилия на долото и передаче крутящего момента). Другим недостатком известного устройства является большие потери давления на внезапное расширение и сужение потока, которые не создают повышения нагрузки на долото, а только чрезмерно нагружают буровые насосы, что снижает их ресурс.
Ззадача изобретения - повышение показателей бурения скважин при повышении надежности устройства, повышение ресурса бурового инструмента.
Техническим результатом данного устройства является повышение технико-экономических показателей бурения и предупреждение осложнения и аварии бурильного инструмента, создание долговечного гидравлического механизма подачи долота, установленного в компоновке низа бурильной колонны, при использовании минимального дополнительного давления (сверх необходимого для работы двигателя, долота и других устройств, входящих в состав компоновки низа бурильной колонны, например телеметрической системы контроля) для повышения показателей бурения наклонных и горизонтальных скважин, увеличения ресурса породоразрушающего инструмента и оборудования, входящего в состав компоновки низа бурильной колонны.
Указанный технический результат достигается за счет надежной герметизации камеры, в которой расположены поршень со штоком и шлицевое соединение штока с корпусом механизма подачи долота. Кроме того, предприняты меры для максимального снижения перепада давления в самом механизме подачи долота (МПД) для уменьшения нагрузки на буровые насосы при работе МПД.
Для достижения указанного технического результата в механизме подачи долота, включающем сборный цилиндрический корпус с внутренними шлицами, соединенный с верхней частью бурильной колонны, полый шток с поршнем в его верхней части и наружными шлицами, взаимодействующими с внутренними шлицами корпуса, соединенный нижней частью с компоновкой низа бурильной колонны, шток и поршень имеют одинаковые наружные диаметры, образующие с внутренними поверхностями цилиндрического корпуса зазор не более 0,5 мм на диаметр, причем на наружной поверхности поршня и на внутренней поверхности нижней части корпуса выполнены уплотнительные узлы, образующие вместе с внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью штока герметичную камеру, заполняемую маслом, в которой находится шлицевое соединение.
Отличительными признаками изобретения является то, что шток и поршень имеют одинаковые наружные диаметры, образующие с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса зазор не более 0,5 мм на диаметр, причем на наружной поверхности поршня и на внутренней поверхности нижней части корпуса выполнены уплотнительные узлы, образующие вместе с внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью штока герметичную камеру, заполняемую маслом, в которой находится шлицевое соединение.
Благодаря наличию этих признаков предлагаемая конструкция повышает ресурс и надежность работы механизма подачи долота (сохраняется стабильность осевого усилия на долото и стабильность передачи крутящего момента), повышает технико-экономические показатели бурения и предупреждает осложнения и аварии бурильного инструмента.
На чертежах иллюстрируется сущность изобретения.
На фиг. 1 представлен фрагмент компоновки низа бурильной колонны (КНБК) с механизмом подачи долота (МПД);
на фиг. 2 показан поперечный разрез МПД в сечении В-В.
Механизм подачи долота (фиг. 1) содержит трубчатый наружный корпус, состоящий из соединенных друг с другом посредством конических резьб переводника 1, соединенного посредством резьбы 2 с бурильной колонной 3, корпуса верхнего 4, переводника 5 с внутренними шлицами и корпуса нижнего 6. Внутри трубчатого корпуса расположен шток 7 с наружными шлицами, являющимися ответными для шлицев переводника 5, и резьбой 8 для соединения с корпусом забойного двигателя 9 (или телесистемой, при наличии). Сверху на шток 7 навинчен поршень 10 с уплотнительным узлом 11. На корпусе 6 снизу также выполнен уплотнительный узел 12. Имеющееся пространство между штоком и корпусом заполняется смазочным материалом (маслом, пластичной смазкой) через отверстия 13 и 14. Шток 7 и поршень 10 имеют одинаковые наружные диаметры. Поверхности скольжения на корпусе верхнем 4 и на штоке 7, контактирующие с уплотнительными узлами 11 и 12, имеют равные диаметры D, которые упрочняются (например, покрытием из твердого хрома) и полируются, благодаря чему достигается значительное увеличение ресурса. Равенство диаметров уплотнительных узлов D при перемещении штока 7 с поршнем 10 обеспечивает постоянство объема смазки между трубчатым наружным корпусом и штоком, что приводит к постоянству давления масла и беспрепятственному перемещению штока 7 вдоль оси механизма подачи долота на величину хода С (фиг. 1). Кроме того, ввиду возможных изгибов траектории скважин, рядом с уплотнительным узлом 12 установлена втулка 15 из антифрикционного материала (например, бронзы), выполняющая роль радиальной опоры штока 7, а контактирующий с опорой шток имеет антифрикционное покрытие. Для снижения потерь давления в механизме подачи долота в полом штоке 7 выполняется центральное отверстие максимального диаметра, исходя из соображений прочности штока. При этом на верхнем конце поршня 10 отверстие выполняется коническим, как и на нижнем конце штока 7.
Механизмом подачи долота предназначен, в основном, для работы в горизонтальных и наклонно-направленных (с большим углом относительно вертикали) скважинах, т.к. в вертикальных скважинах и скважинах с небольшим углом подача долота осуществляется с помощью буровой лебедки (весом инструмента на крюке). На горизонтальном участке при большой его протяженности колонна лежит на стенке скважины и под действием трения или дифференциального прихвата вес инструмента может быть недостаточным для подачи долота. В этом случае вступает в работу гидравлический механизм подачи долота.
Работа механизма подачи долота осуществляется следующим образом. При прекращении подачи колонны по указанным выше причинам промывочная жидкость продолжает поступать через механизм подачи долота по стрелке А (фиг. 1) к низлежащим элементам компоновки (долото, забойный двигатель, система телеконтроля), в которых срабатывается определенный перепад давления (6-10 МПа). Благодаря тому, что в механизме подачи долота бурильная колонна разъединена (шток 7 соединен с частью колонны, расположенной ниже механизма подачи долота и может телескопически перемещаться относительно корпусных элементов устройства), сила обозначенного выше перепада давления, равная произведению перепада давления на площадь поршня 10, определяемая диаметром D, передается на долото (за вычетом сил трения оборудования, установленного ниже механизма подачи долота, о стенки скважины). Процесс бурения продолжается до выработки хода С штока механизма подачи долота. Оптимальный ход штока C определяется опытным путем. В процессе продвижения колонны, в случае ее подвисания и срыва, механизм подачи долота предотвращает удар долота и его поломку о забой, т.к. шток 7 возвращается в исходное положение под действием усилия от забоя, с которым долото находится в контакте.
В таблице приведены расчетные значения усилий, действующих на шток 7, для различных типоразмеров механизма подачи долота (106, 120, 178 мм) при различных перепадах давлений, срабатываемых в нижней части КНБК.
Опытная партия описанных механизмов подачи долота в габарите 120 мм изготовлена в ООО «Гидробур-сервис» (г.Пермь). Сравнительные испытания двигателей с МПД и без МПД, работавших в аналогичных условиях, проведены на интервалах скважин 695-966 м и 966-1260 м - с использованием МПД, 692-990 м и 990-1382,5 м - без использования МПД. Полученные результаты показали, что при бурении скважин средняя механическая скорость проходки увеличивается на 8-10%, долото значительно меньше изнашивается при одинаковых условиях бурения.