УСТРОЙСТВО ДЛЯ РОТОРНО-ШПИНДЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
FACILITY FOR ROTOR-SPINDLE DRILLING OF WELLS

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может использоваться для совершенствования технологии бурения разреза горных пород.
Наиболее близким техническим решением является устройство вращательного бурения, принятое за прототип, состоящее из бурильной колонны, долота и встроенного по одной оси между ними с помощью переводников корпуса, в котором размещены вал, осевая и радиальные опоры, уплотнения, пластинчатые пружины с различными направлениями навивок, соединяющие корпус и вал устройства [SU 1726722 А1, кл. E21B 4/06, опубл. 15.04.92. Бюл. № 14].
Известно устройство вращательного бурения, включающее передачу долоту момента вращения через бурильную колонну, создание осевой динамической нагрузки на долото с учетом технологических параметров процесса бурения и устройства, содержащего узел для передачи статической, через полый вал, и динамической нагрузок [SU 1726722 А1, кл. E21B 4/06, опубл. 15.04.92. Бюл. № 14].
Основные недостатки устройства для вращательного бурения скважин следующие.
В устройстве для одновременной передачи вращающего момента М и осевого усилия на долото G предложено применять витые спаренные пружины с разным направлением навивки, что технически сложно выполнить в связи с ограниченным по диаметру пространством скважины. Для применения таких пружин нет точных расчетов, так как их жесткости вдоль оси, а также на кручение изменяются нелинейно. Следовательно, механизм одновременной передачи М и G малоэффективен, особенно при необходимости поддерживать определенную жесткость передачи G на долото. При этом менять место приложения G по длине (вдоль оси скважин) таких пружин технически сложно. Подбор этого типа и сочетания пружин с целью одновременного гарантированного снижения возможности и необходимости предотвращения резонансных явлений в упругом звене передачи М и G затруднен. Из опыта эксплуатации шпинделя типа ШИП с различными пружинами и пружин в железнодорожных вагонах известно, что потенциальный ресурс их на отказ при осевых усилиях более 20 кН весьма мал и ограничен во времени несколькими часами работы.
Г
Кроме отмеченных есть и другие недостатки, а именно в известном устройстве нет механизма для повышения перепада давления в потоке промывочной жидкости, которым можно создать необходимое гидравлическое осевое усилие G на вал шпинделя, когда нельзя применять струйные насадки долота, особенно при бурении с наполнителями для ликвидации поглощений в скважине.
Задачей, на выполнение которой направлено заявляемое техническое решение, является разделение в устройстве для роторно-шпиндельного бурения функций передачи вращающего момента и осевой нагрузки на долото с введением новых элементов.
Технический результат состоит в повышении механической скорости проходки скважины и проходки на долото путем повышения эффективности воздействия вооружения (зубков) долота на породу на забое скважины, увеличения времени работы устройства и долота и кратного увеличения объема выбуриваемой породы.
Указанный технический результат по объекту-устройству достигается тем, что устройство для роторно-шпиндельного бурения содержит бурильную колонну, шпиндель с отверстиями, уплотнениями, полым валом и осевой опорой, являющейся конструктивной частью шпинделя, воспринимающей и передающей осевую нагрузку с корпуса на вал шпинделя, и центрирующие элементы, между бурильной колонной и корпусом встроен дополнительный корпус устройства, внутри дополнительного корпуса расположен по одной с ним оси торсионный вал, присоединенный к валу шпинделя, в верхней части дополнительного корпуса устройства встроена верхняя траверса, в которой выполнены отверстия установки сменных, различных по диаметру струйных насадок для прохода промывочной жидкости, и гнездо для центрирования верхней пружины, работающей на сжатие и опирающейся на верхнюю траверсу и верхнюю часть торсионного вала, в верхней части дополнительного корпуса устройства встроена нижняя траверса с отверстиями для прохода через них промывочной жидкости и центральным граненым отверстием, в котором размещают граненую часть торсионного вала, внутри дополнительного корпуса устройства возле его внутренней стенки установлена одна или концентрично две пружины, работающие одновременно или последовательно на сжатие между собой и/или совместно, при этом пружины, которые установлены возле дополнительного корпуса устройства, установлены на пластину через буртик в нижней части торсионного вала, причем нижний конец торсионного вала выполнен с резьбой или со шлицем.
Причинно-следственная связь между заявляемым техническим результатом и существенными признаками технического решения следующая. Повышение механической скорости обеспечивается тем, что работа устройства отличается воздействием на горную породу путем встраивания между бурильной колонной и шпинделем с осевой опорой, применяемым в забойном двигателе, дополнительного устройства. В дополнительном корпусе этого устройства с торсионным валом, опирающимся на вал шпинделя, расположены несколько стальных пружин, работающих на сжатие, нижняя траверса для передачи вращающего момента М и осевого усилия G на долото, верхняя траверса, закрепленная в дополнительном корпусе устройства выше торсионного вала с возможностью улучшения регулирования гидравлической нагрузки на вал устройства и на долото. Для регулирования гидравлической нагрузки в верхней траверсе изготовлены отверстия для встраивания струйных насадок с расчетными выходными диаметрами и гнездо для центрирования верхней пружины, опирающейся на верхнюю часть торсионного вала.
СЖ
ПР
П
Г
На чертеже изображено устройство для роторно-шпиндельного бурения скважин, где стрелками обозначены G, G, T - осевые усилия от веса сжатой части бурильной колонны, от предварительно поджатых пружин и на осевую опору шпинделя; G, G - гидравлическое усилие на вал устройства и осевая нагрузка на долото.
Устройство для роторно-шпиндельного бурения скважин содержит бурильную колонну 1, осевую опору 2, являющуюся конструктивной частью шпинделя с корпусом 3, полым валом 4 с отверстиями 5 и уплотнениями 6, и центрирующие элементы 7 (нижний, средний и верхний). Между бурильной колонной 1 и корпусом 3 шпинделя встроен дополнительный корпус 8 устройства. Дополнительный корпус 8 устройства жестко соединен с корпусом 3 шпинделя. Внутри дополнительного корпуса 8 расположен по одной с ним оси торсионный вал 9, присоединенный к валу 4 шпинделя. В верхней части дополнительного корпуса 8 встроена верхняя траверса 10, в которой выполнены отверстия для установки в них сменных, регулируемых по диаметру струйных насадок 11 и гнездо 12. Верхняя траверса зафиксирована контргайкой 13. В верхней части дополнительного корпуса 8 встроена, например, с применением резьбы, нижняя траверса 14 с отверстиями 15 для прохода через них промывочной жидкости, и выполнено центральное граненое отверстие 16, в котором размещена граненая часть 17 торсионного вала 9. Нижняя траверса 14 зафиксирована контргайкой 18. Между граненой частью 17 торсионного вала 9 на его верхнюю часть 19 установлены шайба 20 и верхняя стальная пружина 21, которая для центрирования верхним концом вставлена в гнездо 12. Внутри дополнительного корпуса 8 устройства возле его внутренней стенки установлены одна или концентрично две стальные пружины 22, работающие одновременно или последовательно на сжатие между собой. Стальные пружины 22 установлены на пластину 23 через буртик 27. Сверху стальных пружин 22 расположены опорное кольцо 24 и втулка 25. К нижнему центрирующему элементу 7 присоединено через переводник 26 долото. Пластина 23 установлена на буртик 27 или на нижнюю коническую часть 28 торсионного вала 9. Нижний конец 28 торсионного вала 9 выполнен с резьбой или со шлицами.