ЗАБОЙНЫЙ МЕХАНИЗМ ПОДАЧИ
DOWNHOLE FEED 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 как породоразрушающего инструмента, так и всей компоновки низа бурильной колонны.
В практике бурения находят применение ряд способов и устройств, имеющих целью борьбу с указанными явлениями.
Так, например, известен забойный механизм подачи, входящий в компоновку низа бурильной колонны, которая в себя включает бурильную колонну, долото, винтовой забойный двигатель и телескопическую систему (Патент РФ №2164582, Е21В 7/08, опубл. 27.03.2001 г.).
Недостатком является его сложность и невозможность регулирования нагрузки на долото в процессе бурения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является забойный механизм подачи, включающий цилиндр, соединенный с бурильной колонной, размещенный в нем поршень и связанный с ним полый шпиндель, связанный с взаимодействующим с внутренней поверхностью цилиндра поршнем с расположенным по оси цилиндра полым штоком. Полый шток, поршень и цилиндр образуют при этом замкнутую камеру, содержащую дроссель с параллельным гидравлическим каналом с подпружиненным обратным клапаном. Наружный диаметр штока отличается от наружного диаметра поршня, соединение шпинделя и цилиндра выполнено в виде шлицевой несамотормозящейся винтовой пары (Патент РФ №2439282, Е21В 19/08, опубл. 10.01.2012 г., БИ №1 (Евразийский патент №019323)).
Известное техническое решение обладает следующими недостатками:
Недостаточная эффективность устройства при гашении осевой вибрации, возникающей при работе забойного двигателя и долота. Действительно, выполнение соединения шпинделя и цилиндра в виде несамотормозящейся шлицевой винтовой пары позволяет передавать шлицевой паре как крутильные, так и осевые нагрузки, но ограничивает чувствительность устройства на изменение продольных колебаний, действующих на винтовой шпиндель. Известно, что шлицевая пара в виде винтовой поверхности затрудняет процесс передачи осевой нагрузки от источника продольных колебаний к поршню вследствие значительных сил трения между шлицами.
В результате часть энергии осевой вибрации, а также часть энергии одиночных сильных осевых ударов, возникающих в процессе бурения в элементах КНБК ниже устройства за счет силы трения в винтовой шлицевой паре, передаются не на поршень устройства для дальнейшего гашения в дросселе замкнутой камеры, а посредством сил трения в шлицевой винтовой паре непосредственно на цилиндр и далее на бурильную колонну. Очевидно, что данная часть энергии осевой вибрации не гасится в устройстве.
Другим недостатком данного устройства является его недостаточная эффективность при гашении значительных ударных нагрузок как осевых, так и крутильных. Действительно, при бурении горизонтальных участков скважин, когда контроль передачи осевой нагрузки затруднен, осевые и крутильные удары могут достигать значительной величины, существенно превышающей силу подачи, развиваемую устройством, что приводит к тому, что шпиндель полностью утапливается в цилиндре. С данным фактом мы столкнулись при эксплуатации прототипа в скважинных условиях.
Еще одним недостатком данного устройства является то, что значительные силы трения в винтовой шлицевой паре существенно снижают силу подачи, развиваемую устройством, и тем самым снижают его эффективность.
Задачей изобретения является повышение эффективности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в забойном механизме подачи, включающем цилиндр и винтовой шпиндель, взаимодействующие между собой в виде несамотормозящейся шлицевой винтовой пары, размещенный в цилиндре поршень, связанный с винтовым шпинделем и полым штоком, замкнутую камеру с дросселем и параллельным гидравлическим каналом с обратным клапаном, согласно изобретению цилиндр снабжен расположенным по оси цилиндра осевым шпинделем и жестко связанным с ним осевым поршнем, взаимодействующим с внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью полого штока, причем замкнутая камера образована полым штоком, поршнем, осевым поршнем и цилиндром, а соединение осевого шпинделя и цилиндра выполнено в виде осевой шлицевой пары. Причем поршень и осевой поршень взаимодействуют между собой посредством пружин сжатия, размещенных в замкнутой камере.
По вопросу соответствия отличий предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень" можем сообщить следующее:
Известно техническое решение, которое также позволяет осуществлять гашение крутильных и осевых колебаний за счет выполнения шлицевого соединения в виде винтовой поверхности (заявка на выдачу патента США №20080202816, Torque Converter for Use When Drilling with a Rotating Drill Bit).
Однако у данного технического решения нет технических признаков, позволяющих получить новый технический результат, в частности устройство не позволяет генерировать дополнительную осевую силу подачи для нагружения долота, что немаловажно при бурении, например, горизонтальных участков скважины, где есть затруднения с доведением нагрузки на долото вследствие больших сил трения. Данная сила в буровой практике 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, но ее величина может достигать значительных величин и, несомненно, должна учитываться при работе предлагаемого устройства. С природой указанной силы можно ознакомиться в следующих в литературных источниках: «Влияние избыточного давления в трубах на работу гидравлических яссов». Вагапов С.Ю, Ишбаев Г.Г. «Бурение и нефть», №12, 2008; «Buckling of tubing in pumping wells, its effects and means for controlling it» Arthur Lubinski, K.A. Blenkarn, SPE-672-G Document ID, Society Petroleum Engineering, 1957.
Кроме этого, в данном техническом решении отсутствует замкнутая гидравлическая полость с дросселем и обратным клапаном, которая позволила бы организовать дросселирование и рассеивание энергии как осевых, так и крутильных ударов.
С другой стороны, наличие только одного шпинделя не позволяет эффективно гасить осевые колебания вследствие больших сил трения в винтовом шлицевом соединении.
Известно также техническое решение, позволяющее использовать насосный эффект (Pump Open Force (POF) для создания осевой нагрузки на долото (Dailey CBC-THRUSTER Tool, Weatherford Drilling and Intervention). Однако у данного устройства нет технических признаков, позволяющих получить новый технический результат - способность обеспечить обратную связь между осевой нагрузкой на долото и крутящим моментом, так как применяется шлицевое соединение с осевыми, не винтовыми, шлицами.
Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения придают ему новые свойства - повышение его эффективности. В доступных нам источниках мы не обнаружили сведения об устройствах по конструкции, аналогичным предложенной. По этим причинам, на наш взгляд, предложенное техническое решение может считаться соответствующим критерию "изобретательский уровень".
На фиг. 1 изображен забойный механизм подачи, продольный разрез, расположение элементов соответствует установившемуся режиму бурения; на фиг. 2 - сечение Α-A фиг. 1; на фиг. 3 - обратный клапан в открытом состоянии в масштабе 2:1 фиг. 1; на фиг. 4 - дроссель в масштабе 4:1 фиг. 1.
Устройство содержит цилиндр 1, внутри которого расположен с возможностью осевого перемещения винтовой шпиндель 2, взаимодействующий с цилиндром 1 посредством несамотормозящейся шлицевой винтовой пары 3. Угол подъема винта выполнен таким, чтобы обеспечить несамотормозящую подвижность, т.е. реверсивность, в результате чего винтовой шпиндель 2 имеет возможность перемещаться относительно цилиндра 1 под действием как крутящего момента, так и осевой силы. С другой стороны цилиндра 1 расположен осевой шпиндель 4, взаимодействующий с цилиндром 1 посредством осевой шлицевой пары 5. Винтовой шпиндель 2 снабжен поршнем 6, взаимодействующим с внутренней поверхностью цилиндра 1. Осевой шпиндель 4 снабжен осевым поршнем 7, взаимодействующим с внутренней поверхностью цилиндра 1. Поршень 6 жестко связан с расположенным по оси цилиндра 1 полым штоком 8, причем наружный диаметр полого штока 8 отличается от наружного диаметра поршня 6 и наружного диаметра осевого поршня 7. Полый шток 8, поршень 6, осевой поршень 7 и цилиндр 1 образуют замкнутую камеру 9, которая снабжена дросселем 10 с параллельным гидравлическим каналом 11, обратным клапаном 12, включающим запорный элемент 13 и пружину 14. Винтовой шпиндель 2 устройства жестко крепится к забойной компоновке, основным элементом которой является или просто долото (при бурении роторным способом), долото с забойным двигателем (при бурении забойным двигателем) или долото с роторно-управляемой системой. В нижней части цилиндра 1, под поршнем 6 выполнено дыхательное отверстие 15. Поршень 6 снабжен уплотнительным кольцом 16, дроссель 10 выполнен в виде концентрического канала 17 между полым штоком 8 и осевым поршнем 7, которые гидравлически связывают замкнутую камеру 9 с внутренней полостью устройства. В свою очередь параллельный гидравлический канал 11 связывает замкнутую камеру 9 с внутренней полостью устройства. Осевой поршень 7 снабжен уплотнительным кольцом 18, над осевым поршнем 7 выполнено в цилиндре 1 дыхательное отверстие 19. Внутри цилиндра 1 размещены пружины сжатия 20, взаимодействующие с поршнем 6 и осевым поршнем 7.
Устройство работает следующим образом.
Устройство устанавливают над забойной компоновкой на рабочей колонне труб. В момент начала бурения возникает перепад давления в компоновке (в долоте, в долоте совместно с забойным двигателем, или в долоте совместно с роторной управляемой системой), расположенной ниже устройства, который действует на поршень 6 с уплотнительным кольцом 16 и на осевой поршень 7 с уплотнительным кольцом 18, вызывая выдвижение осевого шпинделя 4 и винтового шпинделя 2 из цилиндра 1 (фиг. 1). Возникает осевая сила, которая передается на нижележащую компоновку, создавая осевую нагрузку на долото. В таком режиме работы, когда относительное движение винтового 2 и осевого 4 шпинделей относительно друг друга происходит со скоростью углубления долота, движение жидкости в концентрическом канале 17 дросселя 10 происходит без заметной потери давления, поэтому перепад давления, действующий на поршни 6 и 7, практически равен перепаду давления между внутренней полостью устройства и затрубным пространством. После полного выхода винтового 2 и осевого 4 шпинделей из цилиндра 1 рабочая колонна труб с поверхности подается в скважину на суммарную величину хода винтового 2 и осевого 4 шпинделей. При этом осевой шпиндель 4 вводится в цилиндр 1, а в результате выполнения соединения винтового шпинделя 2 и цилиндра 1 в виде шлицевой несамотормозящейся винтовой пары винтовой шпиндель 2 также утапливается в цилиндре 1. Далее процесс повторяется.
Как уже указывалось выше, при бурении горизонтальных или близких к горизонтали участков ствола скважины,возникают большие силы трения между стенкой скважины и колонной бурильных труб, что затрудняет процесс передачи осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. Как показала промысловая практика, перемещение низа бурильной колонны вследствие неравенства коэффициентов трения покоя и движения осуществляется неравномерно и скачкообразно, что вызывает резкое динамическое нагружение элементов компоновки низа бурильной колонны (КНБК) - телесистемы, забойного двигателя, роторно-управляемой системы, породоразрушающего инструмента. Ишбаев Г.Г., Вагапов С.Ю. Современные элементы КНБК от компании «БУРИНТЕХ», «Бурение и нефть», №6, 2012. Ишмуратов И.Р., Гиниятов Д.С. Корректор подачи - демпфер производства ООО НПП «БУРИНТЕХ» «Бурение и нефть», №12, 2014.
Соответственно, перемещение осевого шпинделя 4 и винтового шпинделя 2 относительно друг друга и цилиндра 1 осуществляется также неравномерно и скачкообразно. При этом ввиду того, что наружный диаметр поршня 6 и осевого поршня 7 отличается от наружного диаметра полого штока 8, происходит резкое скачкообразное изменение объема замкнутой камеры 9, что вызывает резкий переток рабочей демпфирующей жидкости (буровой раствор) по концентрическому каналу 17 дросселя 10 во внутреннюю полость устройства. Вследствие трения жидкости в дросселе 10 происходит поглощение и рассеивание энергии скачкообразного перемещения низа бурильной колонны и защита элементов КНБК, расположенных ниже устройства от динамического нагружения. Если удар очень сильный и превышает расчетную величину, то дополнительно к перетоку демпфирующей рабочей жидкости через дроссель 10 некоторая ее часть перетекает через параллельный гидравлический канал 11 после открытия запорного элемента 13 обратного клапана 12. Величина перепада давления, при котором откроется параллельный гидравлический канал 11, определяется жесткостью пружины 14 обратного клапана 12, которая выставляется заранее при подготовке устройства к работе. При этом ударные нагрузки воспринимаются и демпфируются пружинами сжатия 20, которые дополнительно поглощают энергию неравномерного, скачкообразного перемещения низа бурильной колонны.
Если в процессе бурения произойдет рост крутящего момента на долото, то под действием реактивного момента, действующего на несамотормозящуюся шлицевую винтовую пару 3, в винтовом шпинделе 2 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 несамотормозящейся шлицевой винтовой паре 3. 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 винтовой шпиндель 2 резко ввинчивается в цилиндр 1. По аналогии с предыдущим случаем устройство при этом поглощает и рассеивает энергию крутильного удара.
После уменьшения крутящего момента на долото винтовой шпиндель 2 начинает плавно выдвигаться из цилиндра 1 устройства под "действием выталкивающей силы, создаваемой забойным механизмом подачи и упругой энергии пружин сжатия 20, тем самым предотвращая удар долота об забой. Плавное выдвижение винтового шпинделя 2 обеспечивается дросселированием демпфирующей рабочей жидкости при ее перетоке через концентрический канал 17 дросселя 10 в обратном направлении, т.к. при этом обратный клапан 12 закрыт.
Возникающие в процессе бурения продольные колебания и отдельные осевые удары, генерируемые долотом, воспринимаются как осевым шпинделем 4, так и винтовым шпинделем 2, т.к. выполнение соединения винтового шпинделя 2 и цилиндра 1 в виде шлицевой несамотормозящейся винтовой пары 3 допускает перемещение шпинделя по оси устройства и под действием лишь только осевой силы. Однако ввиду небольшого КПД несамотормозящейся винтовой пары 3, обусловленного большими силами трения между шлицами, резкое скачкообразное изменение объема замкнутой камеры 9 в цилиндре 1 и сжатие пружин 20, а следовательно, поглощение и рассеивание энергии происходит в большей степени за счет осевого перемещения осевого шпинделя 4 относительно цилиндра 1. Очевидно, что обратный ход устройства осуществляется при этом за счет плавного выдвижения осевого шпинделя 4 из цилиндра 1.
Таким образом, выполнение устройства с осевым шпинделем 4 и дополнительным осевым поршнем 7 позволит повысить чувствительность устройства при гашении продольных колебаний в КНБК. Очевидно, выполнение дополнительной осевой шлицевой пары 5 позволит также существенно снизить влияние сил трения в несамотормозящейся шлицевой винтовой паре 3 на силу подачи, генерируемую устройством, за счет исключения сил трения в несамотормозящейся винтовой шлицевой паре 3 от общей нагрузки, генерируемой устройством. Вместе с тем, наличие пружин сжатия 20 дает возможность воспринимать и гасить значительные осевые и крутильные удары, превышающие силу подачи устройства.
Рассмотрим более подробно составные части усилия подачи, развиваемого устройством:
1
Первая составляющая усилия подачи F определяется перепадом давления на поршни 6 и 7 и равна:
1
цил
шт
тр
затр
F=(S-S)·(P-Р),
цил
где S - площадь поперечного сечения цилиндра 1 по внутренней поверхности;
шт
S - площадь поперечного сечения полого штока 8 по наружной поверхности;
тр
Ρ - давление среды внутри устройства;
затр
Р - давление среды в затрубном пространстве снаружи устройства (определяется перепадом давления в элементах КНБК ниже устройства).
2
шт
тр
затр
2
шт
тр
затр
Вторая составляющая нагрузки F, обусловленная влиянием эффекта Лубинского или «насосного эффекта», определяется произведением площади поперечного сечения (S) полого штока 8 по диаметру уплотнения (дроссель 10) на перепад давления (Р-Р), т.е. F=S·(Р-Р).
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. С другой стороны, снижение динамической активности в нижней части бурильной колонны позволит обеспечить более щадящий режим работы забойной электроники роторно-управляемой системы.
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 определяться потерями давления рабочей жидкости или на гидромониторных насадках долота или, при необходимости, в специально для этого установленном ниже устройства штуцере.