ЗАБОЙНОЕ УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ ДОЛОТА

Полезная модель предназначена для проводки глубоких и направленных скважин, а именно для создания нагрузки на долото и ликвидации прихватов при бурении забойными двигателями и роторном способе.
Известно устройство для создания осевой нагрузки на долото патент РФ 2116429, 6 Е 21 В 19/08, 27.07.98 Бюл. №21. Оно содержит полый шпиндель, снабженный средствами для соединения его с бурильной колонной и долотом, состоит из верхней и нижней частей, связанных между собой шлицевым соединением, удерживающим их от взаимного поворота, внутри верхней части шпинделя образованы силовые цилиндры, в которых размещены выполненные по наружной поверхности шарики. На верхней части шпинделя установлен гидравлический якорь, снабженный выдвижными опорными элементами. Внутри верхней части шпинделя над силовыми цилиндрами размещен управляющий золотник, выполненный с радиальными отверстиями, подпружиненный относительно верхней части шпинделя и имеющий подпружиненные защелки. Нижняя часть шпинделя имеет хвостовик с проточкой на наружной поверхности с длиной, равной величине рабочего хода поршней, в которой размещено подвижное в осевом направлении стопорное кольцо.
Наличие гидравлического якоря ограничивает возможность вращения и расхаживания колонны, что может привести к прихвату и зависанию бурильной колонны при циркуляции бурового раствора. Наличие значительного количества исполнительных механизмов: силовые цилиндры и поршни, золотниковое устройство, гидравлический якорь в среде абразивного бурового раствора ограничивают работоспособность устройства, а отсутствие опорно-центрирующих элементов в компоновке устройства приводит к продольному изгибу и авариям.
Указанные недостатки устранены в известном «Устройстве для создания осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент» А.с. 1514902, 4 Е 21 В
19/08, 4/00, 17/10, 15.10.89 Бюл. №38, где для создания осевой нагрузки на долото в цилиндрическом корпусе помещен поршень, соединенный с полым выдвижным валом многогранной формы, на котором установлены плавающие центраторы, имеющие ответную профильную поверхность выдвижного вала.
Благодаря наличию длинноходового подвижного вала конструкция может быть использована для ликвидации прихвата центраторов забойного двигателя за счет создания динамических ударов при движении корпуса вверх, однако при ударе нижнего внутреннего выступа в корпусе с поршнем произойдет разрушение поршня и нарушение герметизации. Кроме того, в устройстве отсутствуют решения по управлению гидравлической нагрузкой и перепадом давления, которые обеспечивают управление нагрузкой на долото при бурении забойным двигателем, роторным способом и гидромониторными долотами.
Задачей полезной модели является повышение надежности и обеспечение многофункциональности применения устройства. Техническими результатами являются сохранение гидравлической составляющей нагрузки на долото, центрации компоновки, отсечение от бурильной колонны продольных колебаний долота, создание новых решений по управлению величиной гидравлической составляющей нагрузки на долото и по созданию динамического удара при движении бурильной колонны вверх и вниз.
Указанные результаты достигаются тем, что в забойном устройстве подачи долота, включающем цилиндрический корпус с центратором, соединенный в верхней части с колонной бурильных труб, имеющий во внутренней полости выдвижной вал многогранной формы, снабженный в верхней части поршнем, а в нижней части подвижным центратором с отверстием многогранной формы.
Новым является то, что верхняя торцевая часть выдвижного вала снабжена промывочной диафрагмой с вогнутой торцевой поверхностью с тарированными отверстиями и с шаром, перекрывающим отверстие, что позволяет увеличивать и управлять гидравлической составляющей нагрузки. Для создания
дополнительной управляемой нагрузки на долото за счет веса бурильной колонны длина всего выдвижного вала с поршнем и диафрагмой должна быть меньше длины внутреннего цилиндра корпуса устройства. Новым является и то, что для дополнительной центрации и защиты от удара поршня, в верхней подпоршневой части выдвижного вала жестко закреплено опорное кольцо гуммированное по цилиндрической поверхности уплотнительным материалом, а в нижней части корпуса имеется перепускное отверстие и жестко закрепленный ниппель с отверстием многогранной формы.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена компоновка нижней части бурильной колонны с использованием забойного устройства подачи долота (ЗУПД) и забойного двигателя, включающее долото 1, калибратор 2, забойный двигатель 3 с центратором 4, полый выдвижной вал устройства многогранной формы 5, плавающий центратор 6, корпус устройства 7, в нижней части которого закреплен ниппель корпуса с центратором 8. В верхней части выдвижного вала 5 устанавливается поршень 9, а в торцевой части диафрагма с тарированными отверстиями 10. В подпоршневой части жестко к валу 5 закреплено опорное кольцо 11. В нижней части корпуса 7 имеется отверстие 12. Внутреннее отверстие в ниппеле 8 и в плавающем центраторе 6 имеют многогранную форму, соответствующую выдвижному валу 5.
На фиг.2 представлена компоновка для роторного бурения, где утяжеленные бурильные трубы 13 имеют калибраторы 2, 4 и соединены с выдвижным валом 5 забойного устройства подачи долота.
Устройство работает следующим образом. При спуске компоновки с устройством происходит заполнение бурильной колонны буровым раствором через промывочные отверстия в долоте 1, внутренние каналы калибратора 2, забойного двигателя 3, УБТ-13, выдвижного вала 5, диафрагмы с отверстиями 10. При спуске из-за наличия эффекта «поршневания» компоновки и гидравлических сопротивлений в долоте 1, калибраторе 2, забойном двигателе 3, УБТ-13, выдвижном вале 5 и диафрагме с отверстиями 10 возникает перепад давления и
сила, которая при превышении составляющих веса элементов подвижной части компоновки 1, 2, 3, 4, 5, 9, 10, 11 и сил трения поднимает подвижную часть на длину хода выдвижного вала 5, обеспечивая таким образом уменьшение амплитуды гидравлических колебаний в скважине. При остановке движения бурильной колонны подвижная часть компоновки под действием составляющей веса опускается вниз.
При спуске бурильной колонны при возникновении заклинки в скважине элементов подвижной части: долота 1, калибратора 2, центратора 4, забойное устройство подачи используется для освобождения от прихватов за счет создания ударных нагрузок при движении бурильной колонны вверх, при этом удар передается через выступ внутри ниппеля корпуса с центратором 8 и опорное кольцо 11.
Сила удара Р с учетом деформации бурильной колонны равна
где Е - модуль упругости материала трубы;
F - площадь сечения трубы;
V - скорость движения колонны;
l - длина колонны;
а - скорость звука по колонне;
t - время удара и деформации
w - ускорение движения бурильной колонны, при равномерном движении w=0.
Ударные нагрузки создаются многократно при движении бурильной колонны вниз и вверх до освобождения подвижной части компоновки.
После окончания спуска перед началом бурения производится закачка жидкости в бурильную колонну и подача долота 1 на забой с вращением от забойного двигателя 3 (фиг.1) или от ротора (фиг.2).
Крутящий момент передается от корпуса 7 с многогранным отверстием в ниппеле корпуса с центратором 8 многогранному валу 5. При опоре долота на забой бурильная колонна с корпусом 7 подается вниз на длину хода выдвижного вала 5, снабженного поршнем 9. При этом на забой будет действовать нагрузка, равная следующим составляющим
у
где Р - проекция силы веса на ось компоновки у
где α - зенитный угол компоновки, приближенно равный зенитному углу ствола;
д
G - вес долота;
к
G - вес калибратора;
зд
G - вес забойного двигателя;
УБТ
G - вес утяжеленных бурильных труб;
в
G - вес подвижного вала;
2
γ - удельный вес бурового раствора в затрубном пространстве;
cm
γ - удельный вес стали.
x
Р - проекция силы веса на ось х, перпендикулярную оси скважины у
F - площадь внутреннего цилиндра корпуса 8 забойного устройства подачи долота;
в
р - внутреннее давление над поршнем
д
где р - гидравлическое сопротивление в долоте;
к
р - гидравлическое сопротивление в калибраторе;
зд
р - гидравлическое сопротивление в забойном двигателе;
УБТ
р - гидравлическое сопротивление в утяжеленных бурильных трубах;
ЗУПД
р - гидравлическое сопротивление в забойном устройстве (механизме) подачи, равное гидравлическому сопротивлению в тарированных отверстиях диафрагмы;
гв
р - гидростатическое давление над поршнем
ЗУПД
где Н - глубина расположения ЗУПД по вертикали;
1
γ - удельный вес промывочной жидкости внутри бурильной колонны.
н
р - давление в кольцевом пространстве на глубине расположения ЗУПД
гн
ЗУПД
где р - гидростатическое давление в затрубном пространстве на глубине по вертикали расположения ЗУПД - Н
сн
р - гидравлические сопротивления в затрубном пространстве от ЗУПД до устья.
После углубления скважины на длину хода выдвижного вала 5, поршень 9 опускается ниже отверстия 12, происходит переток раствора в затрубное пространство и давление внутри бурильной колонны уменьшается, что сигнализирует о необходимости подъема бурильной колонны на длину хода вала.
Создание осевой нагрузки на долото формируемой в ЗУПД вызывает потерю устойчивости и изгиб выдвижного вала 5 и как следствие приводит к возникновению
поперечных и продольных колебаний, усталостных напряжений, дополнительных поперечных нагрузок на поршень 9, корпус 7 и вал 5. Для ограничения изгиба выдвижного вала 5 на него установлен подвижный центратор 6, что в комплексе с калибратором 2, центраторами 4, 6 и ниппеле корпуса с центратором 8 обеспечит приближение оси вращения компоновки к ее геометрической оси.
у
х
ос
в
н
При увеличении зенитного угла скважины составляющая веса Р уменьшается, а силы трения f·P увеличивается, что для сохранения величины Р необходимо увеличение гидравлической составляющей F·{р+р).
ЗУПД
ЗУПД
ос
Диафрагма с отверстиями 10 жестко крепится к верхней части полого выдвижного вала 5. Торцевая поверхность имеет вогнутую форму. Для увеличения гидравлической нагрузки на долото за счет дополнительных гидравлических сопротивлений в диафрагме (р) в бурильную колонну опускается шар диаметром больше любого отверстия в диафрагме, который перекрывает одно из отверстий, создавая таким образом дополнительный перепад Δр и дополнительную нагрузку на долото ΔР, что позволяет управлять гидравлической нагрузкой на долото.
Дополнительную осевую нагрузку на долото допускается создавать и весом выше расположенной бурильной колонны путем подачи ее до упора с ниппелем 8, на центраторы 6, 4 и забойный двигатель 3.
Пример конкретного выполнения
Месторождение - Ярегское, глубина - 200 м.
д
к
зд
Скважина горизонтальная, α=90°. Диаметр долота - 215,9 мм, гидравлические сопротивления в долоте и калибраторе, р+р=3,0 МПа. Забойный двигатель Д-195, гидравлические сопротивления р=3,0 МПа. Забойный механизм
подачи долота имеет наружный диаметр 195 м, внутренний диаметр цилиндра и поршня 150 мм, гидравлические сопротивления в трех тарированных отверстиях диаметром 15 мм диафрагмы - 3,0 МПа. Калибратор диаметром 215,9 мм, центраторы - 212 мм.
1
2
сн
3
3
γ=1,10 г/см, γ=1,10 г/см, Р=0,5 МПа.
Вес подвижной части равен
д
к
зд
УБТ
в
G+G+G+G+G=70+100+930+500+300=1900 кг.
Коэффициент уменьшения веса в растворе
Коэффициент трения f=0,3.
у
cos90°=0, Р=0, sin90°=1,0
ос
Р=12707 кг ≈130 кН.
Основная составляющая нагрузки на долото в горизонтальной скважине - гидравлическая - примерно 13,22 тс.
В вертикальной скважине при α=О
ос
Р=13,22+1,71≈150, mc ≈150 кН.
Для увеличения гидравлической нагрузки в бурильную колонну опускается металлический шар диаметром 20 мм, который попадая в ЗУПД перекрывает полностью отверстие в диафрагме равное 15 мм, создает дополнительную гидравлическую нагрузку
ос
Итого Р=16,77 mc ≈168 кН, что создает пропорциональное увеличение механической скорости в 168/150=1,12 раза.
При необходимости нагрузка на долото может быть увеличена за счет веса вышерасположенной бурильной колонны.