БУРОВАЯ УСТАНОВКА
DRILLING RIG

Изобретение относится к буровым установкам с подвижным вращателем, применяемым при бурении геологоразведочных скважин.
Известна буровая установка /1/, содержащая выполненный в виде бесконечной цепи подъемник, к одной из ветвей которой прикреплен вращатель, а к другой трубозахватное устройство, находящееся выше вращателя и, кроме того, вращатель снабжен зажимом со средством для попеременного присоединения его к обеим ветвям цепи, а трубозахватное устройство снабжено зажимом со средством для присоединения его к одной из ветвей и отсоединения от нее. Такая установка позволяет совмещать по времени рабочий и холостой ход подвижного вращателя. Однако при этом усложняются условия ее эксплуатации, а постоянное, попеременное присоединение к ветвям и отсоединение от них рабочих органов подъемника резко снижает его надежность и соответственно технику безопасности его применения.
Известна также современная широко применяемая буровая установка Т450 WS /2/, принятая за прототип. Она включает подъемник с подвижным вращателем, снабженным элеватором, который захватывает бурильную колонну посредством резьбы, магазин бурильных свечей карусельного типа, который имеет возможность устанавливаться своими рабочими ячейками на ось скважины и возвращаться обратно, принимая от вращателя бурильные свечи при подъеме колонны и возвращая их при ее спуске, а также гидравлический раскрепитель резьбовых соединений колонны. Сочетание подвижного вращателя с подвижным карусельным магазином позволяет существенно сократить время вспомогательных операций по размещению отсоединяемых от колонны и присоединяемых к ней бурильных свечей в месте аккумуляции. Однако последовательное выполнение операций спуско-подъема бурильной колонны оставляет неиспользованными значительные резервы повышения производительности бурения за счет совмещения этих операций по времени.
Задача изобретения состоит в создании надежной буровой установки, обеспечивающей в автоматическом режиме совмещение по времени операций рабочего и холостого хода спуска и подъема бурильной колонны и бурильных свечей, а также доставки последних от колонны к месту аккумуляции и обратно.
Для решения этой задачи в буровой установке, включающей мачту, цепной подъемник колонны с проходным подвижным вращателем, снабженным гидропатроном для удержания бурильных труб, расположенный над подъемником колонны цепной свечеподъемник с элеватором, оснащенным гидропатроном для удержания бурильных свечей, состоящих из одной или нескольких труб, карусельный магазин с расположенными строго по окружностям ячейками для бурильных свечей, выполненный с возможностью перемещения его от оси скважины и обратно, и стационарный гидравлический трубодержатель, над цепным подъемником колонны с подвижным проходным вращателем расположен кинематически связанный с ним через две пары шестерен такой же и имеющий с ним общий реверсивный привод цепной подъемник с подвижным проходным трубодержателем-свинчивателем, в результате чего при движении подвижного вращателя вверх подвижный трубодержатель-свинчиватель одновременно движется вниз и наоборот, причем отсоединяемая от колонны и присоединяемая к ней свеча подхватывается за ее верхний конец гидропатроном элеватора свечеподъемника и извлекается из магазина или аккумулируется в нем с возможностью автоматизации и синхронизации работы всех элементов буровой установки и совмещения по времени операций рабочего и холостого хода спуска и подъема бурильной колонны и бурильных свечей, а также доставки последних к месту аккумуляции и обратно.
Карусельный магазин загружается и выгружается сверху, и по мере наполнения или опорожнения очередного ряда ячеек, расположенных на данной окружности, бурильными свечами, перемещается по радиусу на расстояние, необходимое для совмещения оси движения элеватора свечеподъемника с осями нового ряда ячеек, расположенных на следующей окружности.
Карусельный магазин также снабжен устройством с подвижными вертикальными штоками, обеспечивающими выдвижение вверх из ячейки магазина очередной бурильной свечи для захвата элеватором свечеподъемника за ее верхний конец в процессе спуска колонны, а также приема и опускания свечи в ячейку магазина при отсоединении ее от элеватора свечеподъемника в процессе подъема колонны.
Свечеподъемник в процессе бурения посредством дистанционного устройства создает через элеватор натяжение верхнего конца колонны труб, автоматически меняя его величину в зависимости от амплитуды и частоты колебаний колонны.
В данной установке вместо подвижного трубодержателя-свинчивателя может быть использован второй подвижный вращатель, что расширяет ее функциональные возможности
Буровая установка иллюстрируется чертежами, где изображены:
на фиг. 1. Схема буровой установки.
на фиг. 2. Схема работы буровой установки в процессе подъема бурильной колонны.
на фиг. 3. Схема работы буровой установки при наращивании бурильной колонны.
На фиг. 4. Схема специального промывочного сальника.
Буровая установка (фиг. 1) включает мачту (на чертежах не показана), цепной подъемник 1 колонны с подвижным проходным вращателем 2, снабженным гидропатроном (на чертежах не показан) для удержания бурильных труб, расположенный над подъемником колонны цепной свечеподъемник 3 с гидроприводом 4 (на фиг. 1,а не показан) и элеватором 5, оснащенным гидропатроном (на чертежах не показан) для удержания бурильных свечей 6, состоящих из одной или нескольких труб, карусельный магазин 7 с расположенными строго по окружностям ячейками 8 для бурильных свечей, выполненный с возможностью перемещения его от оси скважины и обратно, а также стационарный гидравлический трубодержатель 9.
Над цепным подъемником 1 колонны с подвижным проходным вращателем 2 расположен кинематически связанный с ним через две пары шестерен 10 такой же и имеющий с ним общий реверсивный гидропривод 11 (на фиг. 2,а не показан) цепной подъемник 12 колонны с подвижным проходным трубодержателем-свинчивателем 13, в результате чего при движении подвижного вращателя 2 вверх подвижный трубодержатель-свинчиватель 13 одновременно движется вниз и, наоборот, причем отсоединяемая от колонны и присоединяемая к ней свеча 6 подхватывается элеватором 5 свечеподъемника 3 и извлекается из магазина 7 или аккумулируется в нем с возможностью автоматизации и синхронизации работы всех элементов буровой установки и совмещения по времени операций рабочего и холостого хода спуска и подъема бурильной колонны и бурильных свечей, а также доставки последних от колонны к месту аккумуляции и обратно.
Карусельный магазин 7, загружаемый и выгружаемый сверху, вращается вокруг своей оси устройством с гидроприводом 14 и по мере наполнения или опорожнения очередного ряда ячеек, расположенных на данной окружности, бурильными свечами, перемещается другим устройством с гидроприводом 15 по радиусу на расстояние, необходимое для совмещения оси движения элеватора 5 свечеподъемника 3 с осями нового ряда ячеек, расположенных на следующей окружности. Карусельный магазин 7 снабжен также устройством с подвижными вертикальными штоками 16 с гидроприводом 17, обеспечивающими выдвижение вверх из ячейки магазина 7 очередной бурильной свечи для захвата элеватором 5 свечеподъемника 3 за ее верхний конец в процессе спуска колонны, а также приема и опускания свечи в ячейку магазина 7 при отсоединении ее от элеватора 5 свечеподъемника 3 в процессе подъема колонны. Для участия помощника машиниста буровой установки в операциях наращивания бурильной колонны используется откидная площадка 18 (на фиг. 1,б не показана).
Заявляемая буровая установка позволяет решить поставленную задачу. Действительно, например, перед подъемом бурильной колонны помощник машиниста буровой установки, находясь на откидной площадке (фиг. 1,а поз. 18), с помощью вспомогательной лебедки (на чертежах не показана) отсоединяет от колонны промывочный сальник (фиг. 2). Процесс подъема начинается автоматически с захвата верхнего конца колонны трубодержателем-свинчивателем 13 (фиг. 2,а). Подъем выполняется на длину трубы. При этом стационарный трубодержатель 9 освобождает колонну и в дальнейшем в операциях подъема не участвует. Затем производится перехват и подъем колонны продолжается вращателем 1, оказавшимся в положении, показанном на фиг.2,а пунктиром, до положения, при котором резьбовое соединение колонны окажется между трубодержателем-свинчивателем 13 и вращателем 2, которые, после остановки подъема колонны, отвинчивают свечу (фиг.2,б). Чуть раньше, при подъеме свечи на % длины, верхний конец ее захватывается гидропатроном элеватора 5 свечеподъемника 3, трубодержатель-свинчиватель 13 освобождает свечу 6 и отсоединенная от колонны она перемещается сначала вверх, затем элеватор огибает верхние две пары звездочек и выводит свечу на ось, совпадающую с осью гнезда магазина 7, опуская свечу в его гнездо.
В положении, показанном на фиг. 2,б, подвижный шток 16 магазина 7 выдвигается вверх для приема свечи, а после приема ее (фиг. 2,в) опускается в исходное положение, устанавливая свечу на подсвечник в магазине и освобождая путь элеватору 5 свечеподъемника 3 для принятия положения ожидания приема новой свечи (фиг. 2,г). Одновременно, подъем колонны продолжается вращателем 2 из положения, показанного на фиг.2,в, и затем процесс повторяется. Приему магазином 7 очередной свечи предшествует его поворот на угол, необходимый для совмещения новой ячейки, расположенной на данной окружности, с осью перемещения аккумулируемой свечи. Процесс спуска бурильной колонны осуществляется также автоматически, но в обратной последовательности.
Таким образом, в автоматическом режиме обеспечивается совмещение по времени операций рабочего и холостого хода спуска и подъема бурильной колонны и бурильных свечей, а также доставка последних от колонны к месту аккумуляции и обратно. Кроме того, поскольку в буровой установке используются только проверенные практикой такие узлы, как цепной подъемник с вращателем, трубодержатель, карусельный магазин, гидравлические патроны и т.д., то обеспечивается также ее высокая надежность.
Буровая установка работает следующим образом.
В случае, когда верхний подъемник колонны снабжен трубодержателем-свинчивателем, бурение осуществляется, как обычно, нижним подъемником колонны с подвижным вращателем. Если же верхний подъемник колонны вместо трубодержателя-свинчивателя оснащен таким же проходным вращателем, как нижний, то бурение производят попеременно двумя вращателями, что обеспечивает углубку скважины практически без остановок на всю длину наращенной части колонны. Кроме того, при двух подвижных вращателях диапазон частот вращения может быть увеличен вдвое и в значительной мере возрастает безотказность буровой остановки.
Схема процесса наращивания бурильной колонны, например, 3-х метровыми трубами посредством двух вращателей показана на фиг.3. При этом используется специальный промывочный сальник (фиг.4), в крышку 1 которого ввернут сменный патрубок 2, наружный диаметр которого равен наружному диаметру применяемой колонны бурильных труб, что обеспечивает возможность захвата промывочного сальника сверху гидропатроном элеватора свечеподъемника.
Процесс наращивания начинается из положения колонны, удерживаемой стационарным трубодержателем 9 после окончания очередного рейса бурения, без отрыва бурового снаряда от забоя скважины (фиг.3,а). Верхним вращателем отвинчивают верхнюю трубу с промывочным сальником и поднимают ее на всю длину. Помощник машиниста буровой установки, находясь на откидной площадке (на фиг.3 не показана, см фиг.1,а, поз.18) принимает от машиниста буровой установки верхний конец наращиваемой бурильной трубы и совместно с ним свинчивает ее с нижним концом трубы, приподнятой вместе с промывочным сальником (фиг.3,б). При диаметре трубы больше 70 мм и длине больше 3-х метров она подается посредством вспомогательной лебедки с использованием подъемной пробки или манипулятором свечей.
Затем тем же верхним вращателем опускают собранную двухтрубку на торец бурильной колонны (фиг.3,в), перемещают оба вращателя в положение, при котором соединение двухтрубки оказывается между вращателями (фиг.3,г), приподнимают верхним вращателем и затягивают резьбу посредством двух вращателей (фиг.3,д). На этом наращивание колонны одной трубой может быть закончено - этого достаточно, например, при длине трубы 3 м и применяемого съемного керноприемника комплекса WL длиной также 3 м. Двухтрубку свинчивают с бурильной колонной и начинают бурение. Если же требуется значительно большая длина наращиваемой части бурильной колонны, например, при бескерновом бурении, то наращивание продолжается и собранную двухтрубку вновь ставят на верх колонны, а вращатели перемещают в положение, показанное на фиг. 3,е. Затем поднимают ее верхним вращателем на длину трубы, причем в момент подъема ее на четверть длины трубы, двухтрубку захватывают за патрубок промывочного сальника (фиг. 3,ж) гидропатроном элеватора свечеподъемника, который удерживает верхний конец наращиваемой части колонны на оси скважины в продолжении дальнейшего процесса наращивания и бурения. Присоединение и затяжка резьбовых соединений следующих наращиваемых труб производится аналогичным образом (фиг. 3,ж и фиг. 3,з).
Как видно из приведенной схемы, максимальная длина наращиваемой части бурильной колонны зависит от высоты свечеподъемника. Для предупреждения чрезмерных поперечных колебаний колонны при значительной длине ее наращенной части в процессе бурения, нередко приводящих к опасным резонансным явлениям, свечеподъемник посредством дистанционного устройства (на чертежах не показано) создает через элеватор свечеподъемника натяжение верхнего конца колонны, автоматически меняя его величину в зависимости от амплитуды и частоты ее колебаний.
Конструкция карусельного магазина с расположением гнезд строго по окружностям позволяет аккумулировать максимально возможное число бурильных свечей заданного диаметра и при данном диаметре магазина. Так, при наружном диаметре бурильных труб 70 мм и магазина 1200 мм общее число аккумулируемых труб с учетом перемычек в гнездах составляет 170 труб. При длине свечи 6 м, общая длина аккумулируемых труб составляет 1020 м. Приняв запас на отбраковку 20% труб от их общего числа, получим возможную глубину бурения около 800 м.
Буровая установка обеспечивает бурение скважин с наклоном ствола под углом 45-90° к горизонту. При угле наклона меньше 90° она оснащается специальным направляющим устройством, сохраняющим общую ось движения элеватора свечеподъемника и бурильной свечи, а также дополнительную опору для поддержания верхней части карусельного магазина (на чертежах не показано).
Для оценки эффективности работы предлагаемой буровой установки в приложении 1 представлена циклограмма операций, выполняемых при подъеме одной бурильной свечи длиной 6 м, состоящей из двух труб длиной 3 м. Время выполнения этих операций составило 22 секунды.
Хронометраж аналогичных операций, выполняемых буровой установкой T450WS /2/ в тех же условиях, показал следующие затраты времени в секундах:
1. Постановка вращателем элеватора наверх бурильной колонны
2
2. Свинчивание вращателем элеватора с верхом бурильной колонны
5
3. Снятие колонны вращателем с трубодержателя
2
4. Подъем вращателем на высоту 6 м (0,75 м/с)
8
5. Постановка вращателем колонны в трубодержателе
2
6. Отвинчивание вращателем свечи длиной 6 м (свеча представлена трубой 6 м)
5
7. Приподъем вращателем свечи выше верхнего края магазина
2
8. Поворот магазина и совмещение приемной ячейки с осью скважины
3
9. Опускание вращателем свечи в ячейку магазина
2
10. Отвинчивание вращателем элеватора от свечи
5
11. Приподъем вращателя выше верхнего края магазина
2
12. Поворот магазина в исходное положение
3
13. Спуск холостого вращателя (1,00 м/с)
6
Итого
47 с
Однако здесь значительные затраты времени (10 с) связаны с несовершенством элеватора, т.е. со свинчиванием его с колонной и отвинчиванием от свечи. Если заменить его на более скоростной гидропатрон вращателя, применяемый в предлагаемой установке (см. приложение 1), то эти затраты составят всего 4 с а общие сократятся до 41 с. Тогда экономия времени при использовании предлагаемой буровой установки составит 19 с или 46%.
Литература
1. Буровая установка. Авт. свид. №777199. «Бюлл. изобретений», 1981, №41
2. Буровая установка T450WS. WWW.driller.ru/catalog/geologorazvedochnye raboty/1311/.
Приложение 1
Наименование операций подъема бурильной свечи
Затраты времени на выполнение операций подъема, с
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
1. Захват колонны нижним вращателем
2. Подъем колонны на 0,75 м (0,75 м/с)
3. Перехват колонны верхним вращателем
4. Подъем колонны на длину трубы 3 м (0,75 м/с)
5. Перехват колонны нижним вращателем
6. Подъем колонны на 2,25 м (0,75 м/с)
7. Захват колонны верхним вращателем
8. Отвинчивание свечи двумя вращателями
9. Захват свечи элеватором свечеподъемника и освобождение от верхнего вращателя
10. Выдвижение штока магазина в положение приема свечи
11. Перемещение свечи в магазин и установка ее на выдвинутый шток магазина (0,80 м/с)
12. Опускание свечи штоком на подсвечник магазина и освобождение элеватора
13. Возврат элеватора в исходное положение на ось скважины
14. Поворот магазина для установки новой ячейки в положение приема свечи
Примечание:1. Данная циклограмма составлена для случая, когда верхний подъемник бурильной колонны также как нижний, снабжен вращателем.2. Длина бурильной свечи 6 м. Она состоит из двух труб длиной 3 м.