Устройство бурения для буровой установки с непрерывным вращением бурильной колонны и непрерывной подачей бурового раствора
DRILLING DEVICE FOR DRILLING RIG WITH CONTINUOUS ROTATION OF DRILLING STRING AND CONTINUOUS SUPPLY OF DRILLING MUD

Изобретение относится к области бурения грунта
Известно техническое решение «Устройство непрерывного бурения» (см. патент CN 104453708 В, МПК: Е21В 7/00), взятое за аналог, где буровая установка, предназначенная для бурения нефтяных и газовых скважин, включает в себя устройство непрерывного бурения, подъемник нижнего привода, верхний привод, подъемник верхнего привода, механизм захвата, систему подачи буровой жидкости, а также опору подъемника верхнего привода, при этом устройство непрерывного бурения установлено внизу верхнего привода, включает в себя корпус устройства, блок скрепления и раскрепления, блок нижнего привода, блок переключения каналов.
Недостатком данного технического решения является объединение в едином корпусе устройства непрерывного бурения оборудования, обеспечивающего вращения, удержания, наращивания бурильной колонны и оборудования, обеспечивающего жидкостное соединение между концом бурильной колонны и блоком подачи бурового раствора и отсутствие технических решений по установке бурильной трубы с буровой головкой в бурильную колонну, что приводит к невозможности полностью автоматизированной сборки/разборки бурильной колонны в процессе строительства скважины без ограничений по диаметрам используемых долот.
Известно техническое решение «Устройство и способ бурения с непрерывным вращением бура и непрерывной подачей бурового раствора» (см. патент RU 2552743 С2, МПК Е21В 7/00, Е21В 19/16, Е21В 21/00), взятое за прототип, где устройство бурения для буровой установки, предназначенно для бурения нефтяных и газовых скважин, содержит первую буровую машину с верхним приводом, установленную с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей, и вторую буровую машину, установленную между первой буровой машиной и скважиной с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей независимо от первой буровой машины с верхним приводом и снабженную поворотным столом, способным выдерживать вес бурильной колонны, приводом вращения, обеспечивающим непрерывное вращение бурильной колонны, и жидкостной камерой, способной обеспечивать жидкостное соединение между концом бурильной колонны и блоком подачи бурового раствора, при этом жидкостная камера снабжена отверстиями для бурильной колонны, содержащими устройства с функцией закрывания отверстий для бурильной колонны или окружения части бурильной колонны или приводного вала, соединенных с первой буровой машиной, с обеспечением непроницаемости для жидкости, вторая буровая машина снабжена также приводным трубным ключом, с функцией соединения и отсоединения насадки приводного вала и бурильной колонны, при этом указанный приводной трубный ключ установлен в жидкостной камере и выполнен с возможностью вертикального перемещения для соединения и отсоединения насадки приводного вала и бурильной колонны.
Недостатком данного технического решения является фиксированное положение жидкостной камеры на второй буровой машине и отсутствие технических решений по установке бурильной трубы с буровой головкой в бурильную колонну, что приводит к невозможности полностью автоматизированной сборки/разборки бурильной колонны в процессе строительства скважины без ограничений по диаметрам используемых долот.
Данное утверждение поясняется следующим образом.
Устройства, расположенные в жидкостной камере, с функцией закрытия отверстий для бурильной колонны или уплотнения части бурильной колонны или приводного вала с обеспечением непроницаемости для жидкости должны обеспечивать:
- герметизацию под давлением бурового раствора, подаваемого в жидкостную камеру буровыми насосами:
- при бурении с вращением бурильной колонны;
- при осуществлении спуско-подъемных операций с бурильной колонной при наличии поступательного движения и вращения бурильной колонны;
- в открытом положении проводку элементов бурильной колонны, в том числе долот.
Существующий уровень техники не позволяет создать устройства, соответствующие вышеперечисленным требованиям, с функцией одновременного обеспечения прохождение через устройство всех диаметров (типоразмеров) используемых при строительстве скважин инструментов и соответствующих максимальных (рабочих) давлений на узел герметизации.
Задачей предполагаемого изобретения является создание устройства бурения для буровой установки с непрерывным вращением бура и непрерывной подачей бурового раствора, обеспечивающего бурение нефтяных и газовых скважин с функцией обеспечения полностью автоматизированной сборки/разборки бурильной колонны в процессе строительства скважины без ограничений по диаметрам используемых долот.
Поставленная задача достигается тем, что устройство бурения для буровой установки с непрерывным вращением бурильной колонны и непрерывной подачей бурового раствора, содержащее первую буровую машину с верхним приводом, установленную с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей, и вторую буровую машину, установленную между первой буровой машиной и скважиной с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей независимо от первой буровой машины с верхним приводом и снабженную поворотным столом, способным выдерживать вес бурильной колонны, приводом вращения, обеспечивающим непрерывное вращение бурильной колонны, и жидкостной камерой, способной обеспечивать жидкостное соединение между концом бурильной колонны и блоком подачи бурового раствора, при этом жидкостная камера снабжена отверстиями для бурильной колонны, содержащими устройства с функцией закрывания отверстий для бурильной колонны или окружения части бурильной колонны или приводного вала, соединенных с первой буровой машиной, с обеспечением непроницаемости для жидкости, вторая буровая машина снабжена также приводным трубным ключом с функцией соединения и отсоединения насадки приводного вала и бурильной колонны, при этом указанный приводной трубный ключ установлен в жидкостной камере и выполнен с возможностью вертикального перемещения для соединения и отсоединения насадки приводного вала и бурильной колонны, при этом направляющая первой буровой машины расположена на расстоянии от направляющей второй буровой машины или совмещена с ней, при этом устройство бурения для буровой установки снабжено площадкой хранения жидкостной камеры с ответной ниппельной частью стыковочного узла с функцией фиксации жидкостной камеры на площадке хранения, устройством перемещения и установки жидкостной камеры на вторую буровую машину или площадку хранения с функцией установки и снятия жидкостной камеры с/на вторую буровую машину или площадку хранения, при этом жидкостная камера снабжена муфтовой частью стыковочного узла, а вторая буровая машина снабжена ниппельной частью стыковочного узла с функцией фиксации жидкостной камеры на второй буровой машине.
Устройство перемещения и установки жидкостной камеры может быть установлено на второй буровой машине, на одной из направляющих, на буровой вышке, а также на независимой опоре, а площадка хранения жидкостной камеры может быть установлена на второй буровой машине, на буровой вышке, а также на независимой опоре.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид сбоку устройства бурения для буровой установки, содержащего две взаимодействующие буровые машины, на фиг. 2 представлен фронтальный вид на вторую буровую машину, площадку хранения, устройство перемещения и установки жидкостной камеры и жидкостную камеру, установленную на площадке хранения, на фиг. 3 представлен фронтальный вид на вторую буровую машину, площадку хранения, устройство перемещения и установки жидкостной камеры и жидкостную камеру, установленную на вторую буровую машину.
Устройство бурения для буровой установки, предназначенное для формирования скважины в подземной структуре, обеспечивающее возможность, как непрерывного вращения бурильной колонны 8, так и непрерывной циркуляция бурового раствора, а также полную автоматизированную сборку бурильной колонны 8 состоит из буровой вышки 1, направляющей 2 первой буровой машины 4, направляющей 3 второй буровой машины 9, первой буровой машины 4, представляющей собой верхний привод известного уровня техники, с приводным валом 5 и насадкой приводного вала 6, входным отверстием 7 для подачи бурового раствора от блока подачи бурового раствора (не входит в состав изобретения) в бурильную колонну 8, заканчивающуюся бурильной головкой 24, установленной с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей 2, второй буровой машины 9, установленной между первой буровой машиной 4 и скважиной с возможностью вертикального перемещения вдоль направляющей 3 независимо от первой буровой машины 4 и снабженной поворотным столом 10, и клиновым захватом 11, способным выдерживать вес бурильной колонны 8, приводом вращения 12, обеспечивающим вращение бурильной колонны 8, и жидкостной камерой 13, способной обеспечивать жидкостное соединение между верхним концом бурильной колонны 8 и блоком подачи бурового раствора (не входит в состав изобретения), при этом жидкостная камера 13 снабжена муфтовой частью 14 стыковочного узла, запорным клапаном 26 с функцией в открытом положении обеспечения прохода через жидкостную камеру 13 бурильной колонны 8 при бурении первой буровой машиной 4 или бурильной трубы 25 при бурении второй буровой машиной 9 в процессе наращивания бурильной колонны 8 после ее ввода в жидкостную камеру 13 и активации устройства 17, а в закрытом положении с функцией предотвращения утечки бурового раствора при бурении второй буровой машиной 9, отверстиями 15 и 16 для бурильной колонны 8, содержащими устройства 17 и 18 с функцией закрывания отверстия 15, 16 для бурильной колонны 8 или окружения части бурильной колонны 8 или приводного вала 5 или насадки приводного вала 6, соединенные с первой буровой машиной 4, с обеспечением непроницаемости для жидкости, входным отверстием 19 для подачи бурового раствора от системы циркуляции бурового раствора (не показана) в бурильную колонну 8, дренажным отверстием 20 для возврата бурового раствора в блок подачи бурового раствора, вторая буровая машина 9 снабжена также приводным трубным ключом 21 с функцией соединения и отсоединения насадки приводного вала 6 и бурильной колонны 8, при этом приводной трубный ключ 21 установлен в жидкостной камере 13, ответной ниппельной частью 27 стыковочного узла с функцией фиксации жидкостной камеры 13 на второй буровой машине 9, площадкой хранения 22 жидкостной камеры 13 с ответной ниппельной частью 28 стыковочного узла с функцией фиксации жидкостной камеры 13 на площадке хранения 22, устройством перемещения и установки 23 жидкостной камеры 13 на вторую буровую машину 9 или площадку хранения 22 жидкостной камеры 13 с функцией установки и снятия жидкостной камеры 13 с/на вторую буровую машину 9 или площадку хранения 22 жидкостной камеры 13.
Работа устройства бурения для буровой установки с непрерывным вращением бурильной колонны и непрерывной подачей бурового раствора, обеспечивающее полную автоматизированную сборку бурильной колонны происходит следующим образом.
Сборка бурильной колонны 8:
1. Исходное положение оборудования:
- первая буровая машина 4 расположена в верхнем положении;
- вторая буровая машина 9 расположена в верхнем положении;
- жидкостная камера 13 расположена на площадке хранения 22, при этом устройства 17, 18 и запорный клапан 26 находятся в открытом положении, входное отверстие 19 для подачи бурового раствора от системы циркуляции бурового раствора в бурильную колонну 8 и дренажное отверстие 20 для слива бурового раствора в систему очистки бурового раствора соединены, например, гибкими шлангами (не показаны) с трубопроводами (не показаны) блока подачи бурового раствора.
2. Порядок сборки бурильной колонны 8:
- бурильная труба 25 с закрепленной на ней бурильной головкой 24 подается на ось скважины и производится предварительное свинчивание бурильной трубы 25 с закрепленной на ней бурильной головкой 24 с насадкой приводного вала 6 первой буровой машины 4;
- первая буровая машина 4 опускает вниз бурильную трубу 25 с закрепленной на ней бурильной головкой 24 в зону действия клинового захвата 11 второй буровой машины 9;
- клиновый захват 11 второй буровой машины 9 зажимает бурильную трубу 25 с закрепленной на ней бурильной головкой 24 таким образом, чтобы верхняя часть бурильной трубы 25 оказалась в зоне действия приводного трубного ключа 21 после установки жидкостной камеры 13 на вторую буровую машину 9;
- происходит отсоединение бурильной трубы 25 с закрепленной на ней бурильной головкой 24 от насадки приводного вала 6 первой буровой машины 4 и первая буровая машина 4 поднимается в исходной положение;
- устройство перемещения и установки 23 жидкостной камеры 13 захватывает жидкостную камеру 13, расположенную на площадке хранения 22 и подает ее на ось скважины таким образом, чтобы ответная муфтовая часть 14 стыковочного узла жидкостной камеры 13 была расположена выше верхнего конца бурильной трубы 25, после этого устройство перемещения и установки 23 жидкостной камеры 13 опускает жидкостную камеру 13 на вторую буровую машину 9 таким образом, чтобы муфтовая часть 14 стыковочного узла жидкостной камеры 13 вошла в ответную ниппельную часть 27 стыковочного узла второй буровой машины 9, при этом бурильная труба 25 с закрепленной на ней бурильной головкой 24 через отверстие 16 для бурильной колонны 8 оказывается внутри жидкостной камеры 13;
- устройство перемещения и установки 23 жидкостной камеры 13 отсоединяется от жидкостной камеры 13 и отводится с оси скважины;
Примечание - дальнейшие операции по наращиванию бурильной колонны 8 происходят в циклическом режиме до момента подачи бурильной головки 24 на забой скважины и начала бурения.
- бурильная труба 25 подается на ось скважины и производится предварительное свинчивание бурильной трубы 25 с насадкой приводного вала 6 первой буровой машины 4;
- первая буровая машина 4 опускает вниз бурильную трубу 25 таким образом, чтобы пройдя через отверстие 15 для бурильной колонны 8 нижняя часть бурильной трубы 25 оказалась в зоне действия приводного трубного ключа 21;
- нижняя часть бурильной трубы 25 вводится в верхнюю часть бурильной колонны 8 и происходит предварительное свинчивание бурильной трубы 25 и бурильной колонны 8 за счет вращения насадки приводного вала 6 первой буровой машины 4;
- происходит довинчивание бурильной трубы 25 приводным трубным ключом 21;
- клиновый захват 11 второй буровой машины 9 отпускает бурильную колонну 8 и первая буровая машина 4 опускает вниз бурильную колонну 8 таким образом, чтобы верхняя часть бурильной колонны 8 оказалась в зоне действия приводного трубного ключа 21;
- клиновый захват 11 второй буровой машины 9 зажимает бурильную колонну 8;
- происходит отсоединение бурильной колонны 8 от насадки приводного вала 6 первой буровой машины 4 и первая буровая машина 4 поднимается в исходной положение.
Описанные выше операции не предусматривают циркуляцию бурового раствора до начала бурения, поэтому устройства 17, 18 и запорный клапан 26 находятся в открытом положении.
Бурение.
Процесс бурения рассматривается с момента, когда бурение осуществляется первой буровой машиной 4 и подача бурового раствора в бурильную колонну 8 осуществляется через входное отверстие 7, при этом вторая буровая машина 9 с установленной жидкостной камерой 13 расположена в верхнем положении, устройства 17, 18 и запорный клапан 26 находятся в открытом положении.
Процесс бурения выполняется следующим образом:
- первая буровая машина 4 обеспечивает вращательное и поступательное (вниз) движение бурильной колонны 8, а также подачу бурового раствора на забой скважины;
- в момент, когда место свинчивания насадки приводного вала 6 первой буровой машины 4 с бурильной трубой 25 попадет в зону действия приводного трубного ключа 21, вторая буровая машина 9 начинает движение вниз синхронно с первой буровой машиной 4;
- устройства 17, 18 жидкостной камеры 13 активируются и герметично обжимают насадку приводного вала 6 первой буровой машины 4 и бурильную колонну 8 соответственно;
- через входное отверстие 19 в жидкостную камеру 13 начинает подаваться буровой раствор;
- клиновый захват 11 второй буровой машины 9 зажимает колонну бурильных труб 8, при этом привод вращения 12 второй буровой машины 9 вращается синхронно с первой буровой машиной 4;
- первая буровая машина 4 останавливается, при этом вторая буровая машина 9, продолжая бурение, т.е. обеспечение вращательного и поступательного (вниз) движения бурильной колонны 8, а также подачу бурового раствора на забой скважины, выкручивает бурильную колонну 8 из насадки приводного вала 6 первой буровой машины 4;
- первая буровая машина 4 поднимает насадку приводного вала 6 первой буровой машины 4, когда нижняя точка насадки приводного вала 6 первой буровой машины 4 оказывается выше запорного клапана 26 он закрывается;
- устройство 17 жидкостной камеры 13 деактивируется;
- первая буровая машина 4 поднимается в исходной положение
- бурильная труба 25 подается на ось скважины и производится предварительное свинчивание бурильной трубы 25 с насадкой приводного вала 6 первой буровой машины 4;
- первая буровая машина 4 опускает вниз бурильную трубу 25 до захода ее нижней части в жидкостную камеру 13 через отверстие 15 для бурильной колонны 8, при этом скорость вертикального перемещения первой буровой машины 4 превышает скорость вертикального перемещения второй буровой машины 9;
- после этого первая буровая машина 4 продолжает движение вниз со скоростью равной скорости второй буровой машины 9;
- устройство 17 жидкостной камеры 13 активируются и герметично обжимает бурильную трубу 25;
- открывается запорный клапан 26;
- первая буровая машина 4 опускает вниз бурильную трубу 25 со скоростью вертикального перемещения, превышающей скорость вертикального перемещения второй буровой машины 9, до захода нижней части бурильной трубы 25 в верхнюю часть бурильной колонны 8, начинается подача бурового раствора в бурильную колонну 8 через входное отверстие 7 первой буровой машины 4;
- происходит свинчивание бурильной трубы 25 с бурильной колонной 8 опережающей частотой вращения и подачей первой буровой машины 4;
- происходит довинчивание бурильной трубы 25 приводным трубным ключом 21. При этом первая буровая машина 4 вращается синхронно с приводным трубным ключом 21;
- прекращается подача бурового раствора через входное отверстие 19 в жидкостную камеру 13, избытки бурового раствора отводятся через дренажное отверстие 20;
- происходит раскрытие клинового захвата 11 второй буровой машины 9 и освобождение бурильной колонны 8
- функция бурения переходит к первой буровой машине 4;
- устройства 17 и 18 жидкостной камеры 13 деактивируется;
- вторая буровая машина 9 поднимается в свое верхнее положение и ждет, когда место свинчивания насадки приводного вала 6 первой буровой машины 4 с бурильной трубой 25 попадет в зону действия приводного трубного ключа 21.
Далее вышеперечисленные операции повторяются до тех пор, пока не будет закончен процесс бурения.
Порядок разборки бурильной колонны 8: Разборка бурильной колонны 8 осуществляется в порядке, обратном описанном в сборке бурильной колонны 8, включая операции по отсоединению жидкостной камеры 13 от второй буровой машины 9 и установку жидкостной камеры 13 на площадку хранения 22.
Предполагаемое изобретение позволит достичь создание устройства бурения для буровой установки с непрерывным вращением бура и непрерывной подачей бурового раствора, обеспечивающего бурение нефтяных и газовых скважин с функцией обеспечения полностью автоматизированной сборки/разборки бурильной колонны в процессе строительства скважины без ограничений по диаметрам используемых долот.