ГИДРОМОНИТОРНЫЙ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту
Известно буровое долото, А.с. СССР МКИ 3 Е21В 9/08 №480820 опубликовано 20.10.75 бюл. №30, содержащее долото, наддолотный переводник с кольцевым выступом на его внутренней поверхности, подпружиненную золотниковую втулку с буртом, центральной и боковыми насадками, причем боковые каналы перекрыты корпусом долота.
Разрушение породы осуществляется при вращении шарошечного долота и воздействии гидроимпульсных струй формируемых в центральной и боковых насадках. Существует необходимость разрушения пород, песчаных пробок, очистки забоя и стенок скважины при отсутствии возможности вращения долота и бурильной колонны, например, при ориентированном направленном бурении с отклонителем или при использовании гибких труб, наматываемых на барабан. В этом случае, при отсутствии вращения долота эффективность бурения уменьшается. Кроме того, для уменьшения сил трения при проводке направленных скважин необходимо трение покоя, статическое, трансформировать в динамическое, вибрационное, что позволит доводить нагрузку до забоя и увеличить длину горизонтального ствола.
Известен гидромониторный породоразрушающий инструмент, полезная модель №12837 МПК 7 Е21В 7/18 опубликовано 10.02.2000 бюл. №4, содержащий корпус, камеру с гидромониторной насадкой, плунжер с обратным клапаном и сквозным каналом, причем камера выполнена в виде подпружиненной золотниковой втулки, жестко закреплен относительно корпуса, по образующей которого выполнены радиальные и продольные канавки.
Механическое разрушение твердосплавными зубьями и вибрационный контакт с забоем ограничивается торцевой частью золотниковой втулки. Таким образом площади разрушения и контакта недостаточно для проходимости корпуса устройства и снижения сил трения за счет
динамического вибрационного воздействия.
Задачей изобретения является улучшение условий разрушения и очистки массива горной породы, за счет обеспечения механического и гидроимпульсного разрушения по всей площади забоя, создания вибрационного воздействия, снижения сил трения на боковой поверхности долота, уменьшения давления в призабойной зоне и улучшения промывки в кольцевом пространстве скважины.
Указанная задача достигается тем, что золотниковое устройство в нижней части снабжаено долотом с наружным диаметром больше диаметра корпуса и боковыми отверстиями направленными вверх с отклонением от корпусной торцевой поверхности корпуса, кольцевой зазор между золотниковой втулкой и корпусом герметизируется подпружиненными уплотнительными кольцами.
Гидромониторный породоразрушающий инструмент в транспортном положении представлен на фигуре и состоит из корпуса 1, во внутренней полости которого расположена золотниковая втулка 2, которая в нижней части крепится к долоту 3 на резьбовом соединении 4. На длине сжатия пружины 5, от нижнего торца корпуса 1, хода золотниковой втулки, расположены отверстия 6, направленные вверх и вправо под углом у относительно нижнего конического торца корпуса. В верхней части золотниковая втулка 2 имеет поршень с уплотнением, опирающийся на пружину 5. На кольцевом выступе внутренней полости корпуса 1 расположены подпружиненные уплотнительные кольца 8, обеспечивающие герметизацию контакта «втулка 2 - корпус 1». В корпусе 1 между двумя уплотнительными кольцами 8 расположено отверстие 9. В нижнем торце долота 3 установлено центральное гидромониторное отверстие 10, которое обеспечивает гидромониторное разрушение пород и песчаных пробок, создает перепад давления, сжатие пружины 5, нагрузку на забой, движение втулки 2 и открытие боковых отверстий 6. Верхняя часть корпуса 1 снабжена переводником 11, который соединен с бурильной колонной.
Устройство работает следующим образом.
у
сж
у
сж
н
Исходя из твердости пород выбирается необходимая для гидроимпульсного разрушения сила удара струи из центральной насадки 10-Р. Сила удара струи должна быть больше твердости или предела прочности на сжатие разрушаемой породы, или песчаной пробки - σ. Р>σ. Сила удара струи зависит от производительности насосов, диаметра и перепада давления на центральной насадке Р. Длина хода золотниковой втулки 2-l определяется из равенства ,
ц
где f - площадь поршня 7 золотниковой втулки 2,
с
Р - давление в кольцевом пространстве скважины,
С - жесткость пружины.
Длина хода должна обеспечивать сжатие пружины 5, движение долота и золотниковой втулки 2 с поршнем 7 и открытие боковых отверстий 6, направленных вверх и вправо, что обеспечивает за счет сжатой импульсной струи реактивную силу и циклическую осевую нагрузку и вращение долота вправо.
Устройство с помощью переводника 11 соединяется с бурильной колонной.
н
с
н
c
После спуска устройства на забой и запуска насосов промывочная жидкость проходит через центральную насадку 10, создает истечение высоконапорной струи и перепад давления Р, под действием сжимающей силы F=(Р-P)·g возникает непрямой гидравлический удар, производится движение золотниковой втулки 2 с долотом 3, которая сопровождается ударом долота о забой, разрушением породы гидромониторной струей, сжатием пружины 5, вытеснением жидкости из под поршневой полости, через направленное вверх и влево отверстие 9, в кольцевое пространство, сжатием под действием пружины 5, уплотнительных колец 9 и герметизацией контакта между втулкой 2 и корпусом 1. Движение золотниковой втулки и долота осуществляется до
открытия боковых отверстий 6 и промывочная жидкость истекает в затрубное пространство вверх и влево, вызывает эжекцию, снижение давления в призабойной зоне, улучшает вынос шлама и песка, создает за счет реактивной силы дополнительную импульсную нагрузку на долото, и вызывает крутильные колебания путем поворота долота и механическое разрушение забоя. Давление во внутренней полости золотниковой втулки снижается и под действием силы сжатой пружины втулка поднимается вверх перекрывая боковые отверстия, что сопровождается гидродинамическими колебаниями на забой и в затрубном пространстве, механическими колебаниями долота, что обеспечивает гидродинамическое разрушение и очистку забоя и скважины, импульсное ударное воздействие долота на породу, колебания бурильной колонны и снижение сил трения на боковой поверхности долота и колонны, обеспечивает снижение сил трения, подачу долота в сильноискривленных стволах, в том числе в горизонтальных скважинах с большой протяженностью ствола.
Обеспечение безимпульсной постоянной промывки и постоянной нагрузки на долото достигается сжатием нижней части бурильной колонны и передачей осевой нагрузки через переводник 11, корпус 1 непосредственно на верхний кольцевой выступ долота 3. Для передачи крутящего момента долоту золотниковая втулка и внутренняя поверхность корпуса снабжается пазом и шипом, обеспечивающими подачу вращения от корпуса долоту.