Синусошариковый роторно- мультипликаторный бур - принципиально новое конструктивное решение, способное обеспечить существенный рост механической скорости бурения глубоких разведочных скважин алмазным породоразрушающим инструментом

УДК 622.24

В.И. Склянов, З.Г. Уфатова

СИНУСОШАРИКОВЫЙ РОТОРНО-МУЛЬТИПЛИКАТОРНЫЙ БУР -

ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВОЕ КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ, СПОСОБНОЕ ОБЕСПЕЧИТЬ СУЩЕСТВЕННЫЙ РОСТ МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ

РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН АЛМАЗНЫМ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ

Рассмотрен способ интенсификации процесса разрушения горных пород при алмазном бурении глубоких скважин. Предложена новая кинематическая схема синусошарикового роторно-мультипликаторного бура как основа для создания экспериментальных образцов названного устройства. Технический результат достигается тем, что в роторно-муль-типликаторном буре колонна бурильных труб связана с ведущим валом мультипликатора поступательной парой, а с заякоривающим устройством — вращательной парой, при этом заякоривающее устройство жестко связано с корпусом мультипликатора. Связь колонны бурильных труб с ведущим валом мультипликатора поступательной парой обеспечивает работу синусошариковой передачи для повышения частоты вращения ведомого вала с породоразрушающим инструментом. Связь колонны бурильных труб с заякоривающим устройством вращательной парой позволяет посредством башмаков заякоривающего устройства, взаимодействующих со стенками скважины, удерживать обратный момент.

Ключевые слова: синусошариковый роторно-мультипликаторный бур, скважина, алмазный породоразрушающий инструмент, частота вращения, заякоривающее устройство.

Исследователи отмечают, что механическая скорость бурения алмазным породоразрушающим инструментом с увеличением частоты вращения непрерывно возрастает, при этом расход алмазов на 1 м бурения находится примерно на одном уровне [1]. Однако, в реальных условиях при бурении глубоких разве-

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-129-135

дочных скважин рост частоты вращения снаряда до оптимальных параметров ограничен мощностью приводов буровых станков, прочностью и повышенным износом бурильных труб, потерями при передаче энергии от поверхностного генератора до горных пород забоя [2; 3].

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 3. С. 129-135. © В.И. Склянов, З.Г. Уфатова. 2018.

Исследования возможности применения малогабаритных турбобуров и электробуров для высокочастотного алмазного бурения, проведенные в ВИТРе [4], показали, что характеристики предполагаемого турбобура диаметром 70 мм смогут обеспечить работу коронки при осевой нагрузке не более 400 кг, т.е. такой турбобур не будет обеспечивать рациональные режимы бурения, а электробур не будет развивать требуемой полезной мощности и требуемая осевая нагрузка на коронку превышает критическую на электробур в 1,4 раза. В связи с этим проблемы, связанные с потерями тока в токопроводе, техническая сложность создания надежного электробура не рассматривались.

Для решения этой проблемы автором разработана принципиальная кинематическая схема синусошарикового ротор-но-мультипликаторного бура, реализующего новый метод передачи вращения алмазному породоразрушающему инструменту при бурении, обеспечивающего щадящий режим вращения основной части бурильной колонны, которая рекомендуется как конструкционная основа для создания экспериментальных образцов мультипликатора. Данная конструкционная схема защищена патентом РФ № 2261319 «Роторно-мультипликаторный бур» [5; 6].

В связи с этим разработка забойного мультипликатора, обеспечивающего щадящий режим вращения основной части бурильной колонны, представляется актуальным. Применение такого устройства позволит также сократить затраты энергии при одновременном повышении механической скорости бурения и, кроме того, снизить вероятность аварий с бурильными колоннами.

Интенсификация процесса разрушения горных пород при алмазном бурении с использованием забойного мультипликатора будет осуществляться вследствие:

• увеличения удельной энергии, передаваемой горной породе;

• уменьшения потерь энергии при передаче ее от поверхностного генератора до горных пород на забое скважины (увеличения КПД передачи).

В свою очередь, увеличение удельной энергии, передаваемой горной породе, будет получено в результате увеличения частот вращения породоразруша-ющего инструмента, а увеличение КПД передачи — перемещения преобразователя механической энергии забою скважины.

С уменьшением диаметра коронок при высокооборотном алмазном бурении будет уменьшаться и площадь забоя скважины [7—9].

На основании проведенного анализа известных устройств для повышения частоты вращения породоразрушающего инструмента автором обоснована и разработана принципиально новая кинематическая схема синусошарикового ротор-но-мультипликаторного бура, которая рекомендуется как основа для проведения НИОКР по созданию экспериментальных образцов названного устройства.

Технический результат достигается тем, что в роторно-мультипликаторном буре, содержащем установленный на поверхности привод, колонну бурильных труб, заякоривающее устройство, установленное с возможностью взаимодействия со стенками скважины, синусошариковый мультипликатор и породоразрушающий инструмент, жестко скрепленный с концом ведомого вала мультипликатора, колонна бурильных труб, связанная с ведущим валом мультипликатора поступательной парой, а с заякоривающим устройством — вращательной парой, при этом заякоривающее устройство жестко связано с корпусом мультипликатора.

Связь колонны бурильных труб с ведущим валом мультипликатора поступательной парой обеспечивает работу си-

нусошариковои передачи для повышения частоты вращения ведомого вала с породоразрушающим инструментом. Связь колонны бурильных труб с заяко-ривающим устройством вращательной парои позволяет посредством башмаков заякоривающего устройства, взаимодействующих со стенками скважины, удерживать обратный (реактивный) момент, передавая одну часть осевого усилия от бурильной колонны на стенки скважины, а другую через корпус мультипликатора — на породоразрушающий инструмент.

На рис. 1 показаны силы, действующие в роторно-мультипликаторном буре, где: Р1 — осевая нагрузка от бурильной колонны; Р2 — радиальное усилие на прижатие тормозных башмаков к стенкам скважины; Р3 — результирующая сила, направленная вдоль поверхности клина; Р4 — осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент; ф — угол клина; ф' — угол трения; М1 — крутящий момент в колонне бурильных труб; М2 — крутящий момент на ведомом валу мультипликатора; / — передаточное число; ц — КПД синусошариковой передачи; N — мощность на забое; п2 — частота вращения ведомого вала мультипликатора.

Выполнение жесткой связи одной из деталей заякоривающего устройства с корпусом мультипликатора обеспечивает достаточно надежную передачу обратного момента на стенки скважины. Другими словами, конструктивное выполнение устройства позволяет возникающий при бурении обратный момент передавать от забоя на стенки скважины, а осевое усилие от бурильной колонны передавать на забой. Такое перераспределение усилий позволяет кратно увеличить частоту вращения породоразрушающего инструмента по сравнению с бурильной колонной.

Роторно-мультипликаторный бур (см. рис. 2) содержит установленный на поверхности привод (на чертеже не по-

Рис. 1. Силы, действующие в роторно-мультипликаторном буре: 1 — корпус; 2 — водило синусо-шарикового мультипликатора; 3 — ведомый вал

казан), расположенную в скважине 1 колонну бурильных труб 2, заякориваю-щее устройство клинового принципа действия и выполненное с возможностью взаимодействия не менее, чем одной своей деталью со стенками скважины 1, состоящее из распирателя 3, нижняя часть которого выполнена в форме конуса, башмаков 4, пружин 5 и трубы 6, которая является основанием пружин 5. Пружины 5 заякоривающего устройства могут быть выполнены в форме лент цилиндра, получающихся при продольном разрезании трубы, а труба 6 — оставшаяся неразрезанная часть трубы. Башмаки 4 для возможности осевого пере-

мещения могут быть выполнены в виде салазок или снабжены вращающимися роликами (на чертеже не показаны).

Синусошариковый мультипликатор бура состоит из корпуса 7, ведущего вала 8 (водило синусошариковой передачи), ведомого вала 9 и узла синусошарикового зацепления 10, в котором кинематически связаны между собой корпус 7, ведущий 8 и ведомый 9 валы.

Породоразрушающий инструмент 11, например, алмазный, жестко скреплен с концом ведомого вала 9 мультипли-

Рис. 2. Роторно-мультипликаторный бур: 1 — скважина; 2 — бурильная труба; 3, 4, 5, 6 — детали тормозного механизма; 7, 8, 9, 10 — детали СШМ; 11 — алмазная коронка; 12, 15, 16, 18, 20, 21 — уплотнения; 13, 14, 22 — подшипники; 17 — шлицевое соединение; 19 — резьбовое соединение

катора. Между ведомым валом 9 и корпусом 7 мультипликатора установлены уплотнение 12 и подшипник 13 для передачи осевых усилий с корпуса 7 на ведомый вал 9. Между ведущим валом 8 и ведомым валом 9 для предотвращения осевого перемещения между собой вышеуказанных элементов мультипликатора установлен подшипник 14 с уплотнением 15.

Для удержания смазки в мультипликаторе и предотвращения попадания бурового раствора [10; 11] внутрь мультипликатора между ведущим 8 и ведомым 9 валами установлено уплотнение 16. Бурильная труба 2 соединена с ведущим валом 8 подвижным профильным соединением 17 (например, шлицевым), представляющим собой поступательную пару, с помощью которой соединены бурильная колонна 2 и ведущий вал 8 мультипликатора. Для исключения попадания шлама из бурового раствора в подвижное профильное соединение 17 между бурильной трубой 2 и ведущим валом 8 предусмотрено уплотнение 18.

Корпус 7 жестко соединен с трубой-основанием пружин 6 резьбовым соединением 19. Нижнее 20 и верхнее 21 уплотнения для подшипника 22, передающего часть осевого усилия от бурильной трубы 2 к распирателю 23; подшипник 22 и есть конкретная реализация вращательной пары, связывающей за-якоривающее устройство с колонной бурильных труб.

Устройство работает следующим образом. Осевая нагрузка от колонны бурильных труб 2 через подшипник 22 передается на башмаки 4 и уравновешивается двумя группами сил: первая группа сил действует на башмаки со стороны породоразрушающего инструмента 11, то есть передается от алмазного породоразрушающего инструмента к башмакам через подшипник 13, корпус 7, резьбу 19, трубу-основание 6 и пружины 5;

вторая группа сил приложена к башмакам 4 со стороны стенок скважины 1.

Из условий равновесия ясно, что при большей осевой нагрузке, передаваемой башмакам 4 от колонны бурильных труб, будут и большими силы, направленные на внедрение элементов башмаков 4 в стенки скважины 1. Это и позволяет передать через силы сцепления или силы сопротивления резанию возникающий при бурении реактивный момент на стенки скважины 1, что, в свою очередь, обусловливает кратное увеличение частоты вращения ведомого вала 9 с породораз-рушающим инструментом 11 с одновременным более интенсивным движением по оси скважины 1.

Реактивный момент в тормозном устройстве Мр (соответственно и в бурильной колонне) будет равен:

Мр = Мз u/n,

где Мз — крутящий момент на забое, Н  м; u — передаточное число мультипликатора; n — КПД СШП.

Проведенными исследованиями установлено, что требуемая сила прижатия башмаков тормозного устройства N находится в прямой зависимости от осевой нагрузки, частоты вращения породораз-рушающего инструмента и должна удовлетворять условию:

N > М /f r ,

р ' тр ' 4 '

где f — коэффициент трения проходимых пород; r — радиус скважины.

При изменении частоты вращения породоразрушающего инструмента силу Р можно регулировать изменением угла

конуса в тормозном устройстве УРТ. Экспериментальные исследования работоспособности и оценка КПД действующего макетного образца синусошарикового мультипликатора диаметром 73 мм были проведены на испытательном стенде кафедры теоретической механики Моги-левского машиностроительного института [12]. При этом были решены следующие вопросы:

• проверена работоспособность и практическая приемлемость синусоша-риковой передачи для ее работы в муль-типликаторном режиме;

• найдены принципиальные конст-рукторско-технологические решения для создания многорядного синусошарикового мультипликаторного узла диаметром 73 мм (обеспечивающих сборку при сохранении конструкторской и технологической простоты устройства);

• обоснована уверенность в успехе работ по созданию промышленно работоспособной конструкции той части ро-торно-мультипликаторного бура, которая обеспечит реализацию реактивного момента на стенки скважины.

Применение роторно-мультипликатор-ного бура позволит вести бурение на режимах, близких к оптимальным, снизить искривление скважин [13, 14] и повысить механическую скорость бурения в 1,5—2,0 раза, а оснащение этой модели специальными съемными узлами также позволит применить роторно-мультипли-каторный бур для бурения скважин со съемными керноприемниками.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кардыш В. Г., Мурзаков Б. В., Окмянский А. С. Техника и технология бурения геологоразведочных скважин за рубежом. — М.: Недра, 1989. — 256 с.

2. Кардыш В. Г., Мурзаков Б. В., Окмянский А. С. Энергоемкость бурения геологоразведочных скважин. — М.: Недра, 1984. — 200 с.

3. Кардыш В. Г., Окмянский А. С., Арифулин С. А. Молчанов В. И. Методические рекомендации по расчету затрат мощности на бурение геологоразведочных скважин малого диаметра. — М.: СКБ НПО «Геотехника» Мингео СССР, 1977.

4. Корнилов Н. И., Блинов Г. А., Курочкин П. Н. Технология бурения скважин алмазным по-родоразрушающим инструментом на высоких скоростях вращения. — М.: Недра, 1978.

5. Склянов В.И. Анализ затрат мощности на вращение бурильной колонны, оснащенной роторно-мультипликаторным буром // Разведка и охрана недр. — 2016. — № 6. — С. 36—38.

6. Склянов В.И., Бибик С.Д. Роторно-мультипликаторный бур для повышения эффективности высокооборотного бурения скважин // Научный вестник Норильского индустриального института. — 2016. — № 16. — С. 17—19.

7. Склянов В.И., Перепелкин М.А. Влияние частоты вращения алмазного породоразру-шающего инструмента на технические показатели бурения разведочных скважин // Горная промышленность. — 2017. — № 5. — С. 96—97.

8. Соловьев Н. В., Осецкий А. И. Состояние и пути повышения эффективности повышения применения геологоразведочной техники при изучении твердых полезных ископаемых // Разведка и охрана недр. — 2011. — № 5. — С. 75—82.

9. Соловьев Н.В., Бейкель В.Ф. Состояние и пути повышения эффективности техники и технологии бурения скважин при выполнении геологоразведочных работ // Известия вузов. Геология и разведка. — 2013. — № 1.

10. Green D., Peterson T. E. Glicerol based mud system resolves hole sloughing problems // World Oil. — 1989. — Vol. 209. — no 3. — Pp. 50—51.

11. Chenevert M. E. Glycerol mud additive provides shall stability // Oil and Gas J. —1989. — Vol. 87. — no 29. — Pp. 60—61, 64.

12. Игнатищев Р. М., Николаев Л. А., Крез А. И., Склянов В. И. и др. Исследования и кон-структорско-технологические проработки синусошариковой передачи для использования в забойных устройствах / Отчет ВТК «Синус-3» на базе Могилевского машиностроительного института. — Могилев, 1989. — 27 с.

13. Riley L., Swarts H., Anderson M. Large diameter bi-center bits and drilling casts // Petroleum Engineer International. — 1990. — August. no 8. — Pp. 25—30

14. Delleinger T., Gravley W., Tolle G. Directional technology will extend drilling reach // O.G.J., 1980. urm

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Склянов Владимир Иванович1 — кандидат технических наук,

доцент, и.о. зав. кафедрой,

e-mail: vladimir-sklyanov@yandex.ru,

Уфатова Зинаида Георгиевна1 — доцент,

1 Норильский государственный индустриальный институт.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 3, pp. 129-135.

V.I. Sklyanov, Z.G. Ufatovar

SINUSOIDAL-BALL ROTARY-MULTIPLYING DRILL -

A FUNDAMENTALLY NEW DESIGN TO INCREASE DEEP EXPLORATION DRILLING SPEED WITH DIAMOND ROCK-BREAKING TOOL

The article addresses the method of deep diamond drilling stimulation. Based on the analytical data, the author proposes a fundamentally new functional diagram of a sinusoidal-ball rotary-multiplying drill as a framework for R&D modeling of the device. In this rotary-multiplying drill, the drill string is connected with the primary shaft of the multiplier by a sliding pair and with the anchoring gear by a rotating pair, and the anchoring gear is rigidly connected with the multiplier body.

The drill string-primary shaft connection by the sliding pair operates the sinusoidal-rotary gear to increase rotation frequency of the primary shaft with a rock-breaking tool.

The drill string-anchorage connection by the rotary part, using the anchoring gear shoes interacting with the hole walls, enables maintaining reverse (reactionary) torque and transmitting one

portion of axial force of the drill string to the hole walls and the other portion, via the multiplier body, to the rock-breaking tool.

Key words: sinusoidal-ball rotary-multiplying drill, hole, diamond rock-breaking tool, rotation frequency, anchoring gear.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-129-135

AUTHORS

Sklyanov V.I.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Acting Head of Chair, e-mail: vladimir-sklyanov@yandex.ru, Ufatova Z.G1, Assistant Professor,

1 Norilsk State Industrial Institute, 663310, Norilsk, Russia. REFERENCES

1. Kardysh V. G., Murzakov B. V., Okmyanskiy A. S. Tekhnika i tekhnologiya bureniya geologoraz-vedochnykh skvazhin za rubezhom (Foreign exploration drilling technology and equipment), Moscow, Nedra, 1989, 256 p.

2. Kardysh V. G., Murzakov B. V., Okmyanskiy A. S. Energoemkost' bureniya geologorazvedochnykh skvazhin (Energy consumption of exploration drilling), Moscow, Nedra, 1984, 200 p.

3. Kardysh V. G., Okmyanskiy A. S., Arifulin S. A. Molchanov V. I. Metodicheskie rekomendatsii po ra-schetu zatrat moshchnosti na burenie geologorazvedochnykh skvazhin malogo diametra (Recommended practice of calculating power consumption of small-diameter exploration drilling), Moscow, SKB NPO «Geotekhnika» Mingeo SSSR, 1977.

4. Kornilov N. I., Blinov G. A., Kurochkin P. N. Tekhnologiya bureniya skvazhin almaznym porodoraz-rushayushchim instrumentom na vysokikh skorostyakh vrashcheniya (Technology of diamond drilling at high rotation speed), Moscow, Nedra, 1978.

5. Sklyanov V. I. Razvedka i okhrana nedr. 2016, no 6, pp. 36-38.

6. Sklyanov V. I., Bibik S. D. Nauchnyy vestnik Noril'skogo industrial'nogo instituta. 2016, no 16, pp. 17-19.

7. Sklyanov V. I., Perepelkin M. A. Gornaya promyshlennost'. 2017, no 5, pp. 96—97.

8. Solov'ev N. V., Osetskiy A. I. Razvedka i okhrana nedr. 2011, no 5, pp. 75—82.

9. Solov'ev N. V., Beykel' V. F. Izvestiya vuzov. Geologiya i razvedka. 2013, no 1.

10. Green D., Peterson T. E. Glicerol based mud system resolves hole sloughing problems. World OH. 1989. Vol. 209. no 3. Pp. 50—51.

11. Chenevert M. E. Glycerol mud additive provides shall stability. Oil and Gas J. 1989. Vol. 87. no 29. Pp. 60—61, 64.

12. Ignatishchev R. M., Nikolaev L. A., Krez A. I., Sklyanov V. I. Otchet VTK «Sinus-3» na baze Mogi-levskogo mashinostroitel'nogo instituta (Mogilev Machine Building Institute-based VTK Sinus 3 report), Mogilev, 1989, 27 p.

13. Riley L., Swarts H., Anderson M. Large diameter bi-center bits and drilling casts. Petroleum Engineer International. 1990. August. no 8. Pp. 25—30

14. Delleinger T., Gravley W., Tolle G. Directional technology will extend drilling reach. O.G.J., 1980.

FIGURES

Fig. 1. The forces acting in the rotor-baitcasting storm: 1 — housing; 2 — carrier sinusurilor multiplier; 3 — output shaft.

Fig. 2. Rotary bur baitcasting: 1 — well; 2 — drill pipe; 3, 4, 5, 6 — details of the brake mechanism; 7, 8, 9, 10 — details OF; 11 — diamond crown; 12, 15, 16, 18, 20, 21 — seals; 13, 14, 22 — bearings; 17 — splined coupling; 19 — threaded connection.

A