ЦЕНТРАТОР И ЦЕНТРИРУЮЩАЯ СИСТЕМА БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Группа полезных моделей относится к технике бурения скважин, а именно к устройствам, обеспечивающим центрирование бурового инструмента и буровых труб или штанг при бурении направленных прямолинейных скважин.
Известно изобретение «Центратор бурильного инструмента», патент РФ №2055144 по заявке №92009161/03 с приоритетом от 30.11.1992 г., опубликованное в Официальном Бюллетене Роспатента 27.02.1996 г.
Этот центратор содержит корпус и рабочий орган центрирования - установленную на корпусе втулку с возможностью ее вращения на замковых шариковых подшипниках качения и с возможностью ограниченного осевого перемещения втулки с центрирующими ребрами, оснащенными износостойким материалом. Конструкция такого центратора является сложной, требующей установки распорных пружин между корпусом и втулкой и, главное, создающая значительные трудности при выемке бурового оборудования из пробуренной скважины именно из-за ограниченного осевого перемещения втулки.
Известно также изобретение «Центратор для буровых штанг», патент РФ №2085698 по заявке №93020750/03 с приоритетом от 21.04.1993 г., опубликованный в Официальном Бюллетене Роспатента 27.07.1997 г.
Указанный центратор содержит корпус, состоящий из двух полумуфт, посаженных на оси и охватывающих в проточке штангу, в которой выполнено радиальное отверстие. Корпус снабжен радиально расположенными направляющими элементами, выполненными в виде планок, жестко и симметрично закрепленных на корпусе. При этом к планкам присоединены с помощью винтов и шайб удлиненные на 5-10 мм относительно планок эластичные пластины, причем отверстия под винты в этих пластинах выполнены в форме эллипса.
То есть этот центратор имеет простые центрирующие рабочие элементы в виде эластичных пластин, удерживаемых жестко и симметрично закрепленными на корпусе планками. При этом боковая поверхность пластин контактирует с поверхностью скважины и по мере износа пластины на контакте возможно ее передвижение по радиусу.
Такая конструкция центратора не препятствует выемке бурового оборудования из скважины. Однако центрирующие эластичные рабочие элементы, например, «из транспортерной ленты», быстро изнашиваются, после чего допускают движения инструмента, отличные от осевых, что приводит к искривлению скважины, или требуют частой замены эластичных рабочих элементов.
Известно также изобретение «Центратор для става буровых штанг», патент РФ №2260107 по заявке №2001129538/03 с приоритетом от 01.11.2001 г., опубликованный в Официальном Бюллетене Роспатента 10.09.2005 г.
Указанный центратор состоит из штанги, шарнирно соединенных полуобойм с опорами и фиксатора полуобойм. Шарнирно соединенные полуобоймы снабжены плоскими выступами, наружные плоскости которых имеют дополнительные прямоугольные выступы. Центратор снабжен дополнительными полуобоймами с опорами и перпендикулярно расположенными плоскости их разъема пазами и канавками с параметрами, соответствующими параметрам выступов шарнирно соединенных полуобойм. Опоры шарнирно соединенных и дополнительных полуобойм совмещены по окружности и диаметру. Фиксаторы размещены в опорах дополнительных полуобойм, и концы их находятся в опорах шарнирно соединенных полуобойм.
Описанный центратор может быть использован при бурении направленных скважин. Его недостатком является сложность конструкции.
Кроме того, известно изобретение «Наддолотный центратор», патент РФ №2105860 по заявке №96113285/03 с приоритетом от 27.06.1996 г., опубликованное в Официальном Бюллетене Роспатента 27.02.1998 г.
Центратор содержит трубчатый корпус с присоединительными резьбами на концах и установленные жестко на корпусе рабочие центрирующие элементы. В указанном центраторе эти рабочие элементы выполнены в виде дисков с продольными прорезями для прохода промывочной жидкости, причем в нижнем диске выполнены промывочные каналы, расположенные по отношению друг к другу под углом 120°, которые направлены вверх в прорези верхнего диска и сообщены с полостью корпуса. Изобретение направлено на предотвращение налипания глины и тем самым предотвращение поршневания низа бурильной колонны с долотом, так как наддолотный центратор рассчитан на работу при бурении вязких глинистых почв, и не рассчитан для использования при бурении твердых пород, а также при бурении направленных скважин.
Конструкция данного центратора может быть выбрана в качестве прототипа заявляемой полезной модели центратора.
При бурении закладочных, разгрузочных, врубовых бетонноперепускных, водоперепускных скважин в подземных горных выработках требуется получение скважины, имеющей траекторию, максимально приближенную к прямолинейной. При недостаточной точности бурения скважина может пройти мимо выработки, или не обеспечить попадания в верхнюю точку купола выработки, что не позволит произвести закладку бетона на все сечение выработки. Скважина должна обеспечивать сбойку с нижележащей выработкой в расчетной точке выхода с позиционным отклонением не более 0,5 м в конце траектории.
Из-за неоднородности пород по трассе скважины нормальные усилия, возникающие на рабочей поверхности коронки, приводят к ее смещению в сторону пород меньшей крепости. Кроме того, ввиду недостаточной жесткости бурового става и наличия зазора между корпусом держателя инструмента и стенками скважины, а также наличия значительного зазора между буровыми штангами и стенками выработки, имеют место деформации бурового става, что приводит к воздействию на коронку усилий, отличных от осевых, вызывая ее отклонение и отклонение фактической трассы коронки от расчетной траектории.
В описанном выше изобретении «Центратор бурильного инструмента» по патенту РФ №2055144 указано, что центратор устанавливается непосредственно над породоразрушающим инструментом, а в случае необходимости центраторы могут устанавливаться с некоторыми интервалами по всей длине колонны штанг. Однако, как было указано выше, конструкция такого центратора является сложной и создающей значительные трудности при выемке бурового оборудования из пробуренной скважины. Это ограничивает использование указанного центратора в центрирующей системе бурового оборудования.
В описанном выше изобретении «Центратор для става буровых штанг» по патенту РФ №2260107 указано, что для обеспечения сохранения заданного направления бурения осуществляют центрирование става штанг в пределах всей глубины буримой скважины, для чего используют комплект центраторов разного диаметра с определенным шагом, которые устанавливают по мере необходимости между буровыми штангами. Для установки необходимо выбирать центратор с диаметром по опорам, наиболее соответствующим максимально возможной потере диаметра установленного бурового инструмента за рейс. Кроме того, сама установка центратора требует проведения его механической сборки на штанге с кольцевой проточкой непосредственно на станке, что является достаточно сложным и трудоемким процессом.
В описанном выше изобретении «Центратор для буровых штанг» по патенту РФ №2085698 указано, что для предотвращения искривления буримых скважин, создают жесткую базу по длине колонны буровых штанг, состоящую из пневмоударника и двух штанг, в проточки которых устанавливают центраторы. Создание такой системы центрирования служит для обеспечения точного направленного бурения скважин путем центрирования бурового снаряда.
Однако, как было указано ранее, центрирующие эластичные рабочие элементы, например, «из транспортерной ленты», быстро изнашиваются, что приводит к необходимости частой их замены.
При этом собственно система центрирования бурового инструмента в данном случае состоит из держателя бурового инструмента с центратором (первой штанги, к которой присоединяется буровой инструмент) и следующей за ним центрирующей штанги с центратором (второй штанги).
Описанная конструкция наиболее близка по технической сущности к заявляемой полезной модели - системе центрирования бурения и может быть выбрана в качестве ее прототипа.
Задачей заявляемой группы полезных моделей: центратора и центрирующей системы бурового оборудования является повышение прямолинейности бурения при увеличении времени работы без замены рабочих центрирующих элементов и сохранении «легкости» выемки бурового оборудования из скважины.
Указанная задача решается за счет того, что центратор содержит трубчатый корпус, на котором жестко установлены рабочие центрирующие элементы, причем эти рабочие элементы выполнены в виде трех роликов с цапфами, оси вращения которых параллельны оси корпуса, ролики сгруппированы вокруг трубчатого корпуса и установлены друг по отношению друг к другу через 120° с помощью опор, удерживающих цапфы роликов, причем опоры снабжены подшипниками, в которых установлены с возможностью вращения цапфы роликов, опоры выполнены с плоским основанием и установлены в корпусе в гнездах с плоским дном и конфигурацией, соответствующей конфигурации основания опор, а основания опор соединены с корпусом с помощью болтов со стопорными элементами (например, стопорными шайбами).
Выполнение рабочих центрирующих элементов в виде роликов, установленных на корпусе с помощью жестко закрепленных опор с подшипниками, в которые установлены цапфы роликов для обеспечения возможности их вращения параллельно оси корпуса, позволила создать центратор с достаточно простыми и надежными рабочими центрирующими элементами, конструкция которого не препятствует выемке бурового оборудования из скважины.
При этом экспериментально было установлено, что радиальный контакт центратора со стенками скважины происходит в трех точках, в связи с чем его конструкция предусматривает наличие трех роликов, симметрично расположенных вокруг корпуса через 120°.
Опоры снабжены подшипниками, в которые установлены цапфы роликов, что обеспечивает возможность их вращения параллельно оси корпуса. Кроме того, опоры роликов выполнены с плоским основанием, установлены в плоские гнезда корпуса соответствующей формы, причем основания опор соединены с корпусом с помощью болтов со стопорными элементами, например, с шайбами
Благодаря указанной конструкции центратор обеспечивает оптимальный режим центрирования, так как во время бурения бурильным станком, когда вращаются штанги става, все три ролика центратора обегают внутреннюю поверхность скважины, удерживая за счет жесткой системы крепления опор роликов трубчатый корпус центратора от движений, отличных от осевых.
Заявляемая конструкция центратора позволяет изготавливать все его элементы из металла, что значительно увеличивает срок их службы, т.е. увеличивает время бурения без замены рабочих центрирующих элементов центратора.
Таким образом, заявляемая конструкция центратора с совокупностью перечисленных признаков обеспечивает оптимальный режим центрирования в скважине, позволяет увеличить надежность и время бурения без замены рабочих центрирующих элементов, а также не препятствует выемке бурового оборудования из скважины.
Указанная задача решается также за счет того, что центрирующая система бурового оборудования в скважине (буровой инструмент, его держатель и ряд последовательно соединенных буровых штанг) состоит из первого центратора, установленного на держателе бурового инструмента, и по крайней мере одной центрирующей штанги в ряду буровых штанг с установленными на ней двумя центраторами по краям.
При этом все центраторы, используемые в заявляемой центрирующей системе, имеют одинаковую конструкцию, идентичную конструкции заявляемого и описанного выше центратора, содержащего трубчатый корпус и рабочие центрирующие элементы, выполненные в виде трех роликов с цапфами, установленных параллельно оси корпуса через 120° по отношению друг к другу в специальные гнезда на жестко закрепленные на корпусе опоры, снабженные подшипниками с установленными в них цапфами роликов, обеспечивающих возможность вращения роликов центратора параллельно оси корпуса.
Держатель бурового инструмента содержит трубчатый корпус с присоединительными резьбами на концах, который совмещен с корпусом центратора.
К держателю инструмента с центратором присоединяются с помощью резьбовых соединений с одного конца - буровой инструмент (например, пневмоударник с коронкой или долото), а с другого конца последовательно и соосно соединенные с держателем инструмента и между собой - буровые штанги, между или перед которыми установлена по крайней мере одна центрирующая штанга. При этом никаких переделок в буровых штангах не требуется.
Центрирующая штанга представляет собой буровую штангу с жестко присоединенными к ней соосно по краям, например с помощью сварки, двумя центраторами, имеющими описанную выше конструкцию и выполненными с присоединительными резьбами на свободных концах своих корпусов для подсоединения к другой буровой штанге и/или к держателю бурового инструмента.
Экспериментально установлено, что линейный контакт центрирующей штанги со скважиной происходит в двух точках, в связи с чем для обеспечения необходимой прямолинейности центрирующая штанга и содержит два центратора по краям.
Все центраторы, входящие в центрирующую систему, имеют диаметр, максимально приближенный к диаметру скважины. Это обеспечивает жесткость набора: буровой инструмент - держатель инструмента с центратором, исключая колебания бурового инструмента от действия нормальных усилий, создаваемых породой в забое.
Однако из-за недостаточной жесткости бурового става и наличия зазора со скважиной, один центратор, установленный на держателе инструмента, не обеспечивает требуемой точности бурения.
В связи с этим заявляемая центрирующая система бурового оборудования в скважине кроме держателя инструмента с центратором содержит по крайней мере одну центрирующую штангу с двумя центраторами по краям в ряду буровых штанг. Держатель инструмента с центратором в сочетании с последующими центрирующими штангами, установленными по буровому ставу, устраняют возникающие при бурении поперечные усилия и тем самым обеспечивают приложение к буровому инструменту только осевых усилий, что позволяет исключить его уход от прямолинейности и провести скважину по траектории максимально приближенной к расчетной.
Таким образом, заявляемая центрирующая система бурового оборудования в скважине с совокупностью перечисленных признаков обеспечивает повышение прямолинейности бурения при увеличении времени работы без замены рабочих центрирующих элементов и сохранении «легкости» выемки бурового оборудования из скважины.
В частном случае выполнения центрирующей системы бурового оборудования длина центрирующей штанги с закрепленными на ее концах вторым и третьим центраторами, выполнена равной длине стандартной буровой штанги, т.е. длина укороченной штанги выбирается такой, чтобы общая длина центрирующей штанги в сборе с двумя центраторами была равна длине стандартной буровой штанги.
Такое выполнение повышает технологичность производства буровых работ.
В частном случае выполнения центрирующей системы бурового оборудования в скважине первая центрирующая штанга с двумя центраторами по краям расположена сразу за держателем бурового инструмента с центратором.
Практикой бурения было установлено, что для обеспечения требуемой точности бурения и увеличения жесткости бурового инструмента, наиболее оптимальным вариантом является установка центрирующей штанги сразу за держателем бурового инструмента.
В частном случае выполнения центрирующей системы бурового оборудования в скважине первая центрирующая штанга с двумя центраторами по краям расположена сразу за держателем бурового инструмента с центратором, вторая центрирующая штанга при необходимости ее установки расположена через 10±1 м после первой, а каждая последующая при необходимости - через 40±2 м.
Практикой бурения было установлено, что для обеспечения требуемой точности бурения и увеличения жесткости става буровых штанг, указанное расположение центрирующих штанг в системе является наиболее оптимальным, особенно при бурении однородных твердых пород.
Заявляемые центратор и центрирующая система бурового оборудования иллюстрируются чертежами, представленными на фиг.1, 2 и 3.
На фиг.1 представлен чертеж центратора с рабочими центрирующими элементами в виде трех роликов.
На фиг.2 представлена чертеж центрирующей системы бурового оборудования в общем случае выполнения.
На фиг.3 представлена схема центрирующей системы бурового оборудования в частном случае выполнения.
Заявляемый центратор (фиг.1) содержит трубчатый корпус 1, на котором установлены рабочие центрирующие элементы - три ролика 2 с выполненными одной деталью с ними концевыми цапфами 3, установленными в подшипниках 4 опор 5; опоры установлены в гнезда 6 корпуса 1 и соединены с ним болтами 7 со стопорными элементами (шайбами) 8.
Заявляемая центрирующая система бурового оборудования в скважине в общем случае выполнения (фиг.2) содержит держатель инструмента 9 (инструмент на чертеже не показан) с центратором 10 и по крайней мере одну центрирующую штангу 11 с двумя центраторами 12 и 13 по краям, расположенную с ним соосно в одну линию в ставе буровых штанг.
При этом держатель инструмента 9 имеет трубчатый корпус с присоединительными резьбами на концах, совмещенный с корпусом центратора 10, конструкция которого описана выше и представлена на фиг.1. К держателю инструмента с центратором (фиг.2) с помощью резьбы присоединяется с одного конца буровой инструмент (например, пневмоударник с коронкой или долото), а с другого конца - последовательно и соосно соединенные буровые штанги, между или перед которыми установлена по крайней мере одна центрирующая штанга 11 с двумя центраторами 12 и 13.
При этом центрирующая штанга 11 (на фиг.2 показана с разрывом) включает в себя обычную буровую штангу с жестко и соосно прикрепленными к ее концам, например с помощью сварки, вторым 12 и третьим 13 центраторами, конструкция которых описана выше и представлена на фиг.1. Свободные концы корпусов второго и третьего центраторов 12 и 13, являющиеся одновременно концами центрирующей штанги 11, выполнены с присоединительными резьбами для ее подсоединения к другой буровой штанге и/или к держателю бурового инструмента.
В частном случае выполнения центрирующей системы (фиг.2) длина центрирующей штанги 11 с двумя центраторами 12 и 13 выполнена равной длине стандартной буровой штанги.
В частном случае выполнения центрирующей системы бурового оборудования в скважине (фиг.3) первая центрирующая штанга 11 с двумя центраторами 12 и 13 по ее краям расположена сразу за держателем 9 бурового инструмента с центратором 10.
В частном случае выполнения центрирующей системы бурового оборудования в скважине (фиг.3) первая центрирующая штанга 11 с двумя центраторами 12 и 13 расположена сразу за держателем бурового инструмента 9 с центратором 10, вторая такая же центрирующая штанга 14 с двумя центраторами 15 и 16 расположена после первой центрирующей штанги 11 через количество буровых штанг, кратное примерно 10 метрам, а третья такая центрирующая штанга 17 с двумя центраторами 18 и 19 и каждая аналогичная последующая расположены через количество буровых штанг, кратное примерно 40 метрам.
Заявляемая центрирующая система бурового оборудования (фиг.2), в качестве составной части которой использован заявляемый центратор (фиг.1), содержащий трубчатый корпус и рабочие центрирующие элементы, выполненные в виде трех роликов с цапфами, установленных параллельно оси корпуса через 120° по отношению друг к другу в специальные гнезда на жестко закрепленные на корпусе опоры, снабженные подшипниками с установленными в них цапфами роликов, обеспечивающих возможность вращения роликов центратора параллельно оси корпуса, в общем случае работает следующим образом.
В процессе бурения корпус 1 (фиг.1) центратора 10 держателя инструмента 9 и, по крайней мере, центраторов 12 и 13 центрирующей штанги 11 (фиг.2) вместе с буровым инструментом и буровыми штангами совершают вращательное и поступательное по мере подачи инструмента движения. При вращении става штанг бурильным станком ролики 2 (фиг.1) рабочих центрирующих элементов всех центраторов обегают поверхность скважины, удерживая буровой инструмент, держатель инструмента и штанги бурового става от движений, отличных от осевых. При этом расположение по крайней мере трех центраторов 10, 12 и 13, разнесенных по оси бурения обусловливает жесткую центровку бурового оборудования вдоль скважины.
В частном случае исполнения, когда длина центрирующей штанги 11 со вторым 12 и третьим 13 центраторами, выполнена равной длине стандартной буровой штанги, центрирующая система работает также, как и в общем случае.
В частном случае выполнения (фиг.3), когда первая центрирующая штанга 11 с двумя центраторами 12 и 13 расположена сразу за держателем 9 бурового инструмента с центратором 10, центрирующая система работает также, как и в общем случае. При этом установка центрирующей штанги сразу за держателем бурового инструмента обеспечивает наличие сразу трех центраторов вблизи работающего бурового инструмента, что повышает жесткость его центровки, исключая колебания коронки от действия нормальных усилий, создаваемых породой на забое.
В частном случае выполнения (фиг.3), когда первая центрирующая штанга 11 с центраторами 12, 13 расположена сразу за держателем 9 бурового инструмента с центратором 10, вторая центрирующая штанга 14 с центраторами 15, 16 при необходимости ее установки расположена через количество буровых штанг, кратное примерно 10 метрам, а третья центрирующая штанга 17 с центраторами 18, 19 и каждая аналогичная последующая при необходимости расположены через количество буровых штанг, кратное примерно 40 метрам, центрирующая система работает также, как и в общем случае.
При этом в процессе бурения в случае превышения допустимой величины отклонения фактической трассы бурения от расчетной траектории, в став буровых штанг устанавливаются при необходимости вторая, третья и т.д. последующие центрирующие штанги. Держатель инструмента с центратором в сочетании с последующими центрирующими штангами, установленными по буровому ставу, устраняют возникающие при бурении поперечные усилия, что позволяет исключить его уход от прямолинейности.
Для осуществления группы полезных моделей - центратора и центрирующей системы бурового оборудования в скважине, как в общем случае, так и в частных случаях выполнения, можно использовать известные в технике бурения технологические процессы и материалы.
Ниже приведен пример конкретного выполнения.
Так, например, трубчатый корпус центратора может быть изготовлен из стали.
Когда центратор устанавливается на корпусе держателя инструмента, то корпусом центратора является трубчатый корпус держателя инструмента, который также может быть изготовлен из стали и имеющий резьбовые соединения на концах.
В корпусе центратора длиной около 300 мм установлены в гнездах опоры с подшипниками скольжения с твердой смазкой.
Ролики, выполненные с цапфами одной деталью, могут быть изготовлены, например, из стали 18ХГТ с цементацией внешней рабочей поверхности. При этом поверхность роликов, контактирующая с породой скважины, цементирована на глубину 1 мм при твердости 57-60 НRCэ.
Фиксация опор роликов к корпусу и целостность узла рабочих центрирующих элементов в целом достигается за счет крепления с помощью болтов. Исключение развинчивания болтов крепления опор роликов к корпусу реализуется, например за счет стопорных шайб с носком по ГОСТ 13465-77.
Общая длина центрирующей штанги в сборе с двумя центраторами выбрана равной длине стандартной буровой штанги для станков УБЗС и УБРС, а именно 1160 мм.