УСТРОЙСТВО ДЛЯ КУМУЛЯТИВНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
DEVICE FOR CUMULATIVE WELL DRILLING

Изобретение относится к горнодобывающей, нефтяной и газовой отраслям промышленности, в частности для бурения скважин различного назначения, в разрушении пород.
Известен способ бурения скважины с помощью непосредственного механического воздействия на горные породы, применяя долото (см. книгу С.А.Султанов, Р.Х.Муслимов. «Нефть - чудо природы». Казань, Татарское книжное издательство, 1987 г., с.84-87, 90-93), (см. В.Е.Копылов. «Бурение?… Интересно!». Москва, «Недра», 1981 г., с.39-45, 95-99).
Известно шарошечное долото для бурения скважин с продувкой сжатым воздухом, включающее корпус с ниппелем и продувочными каналами, прикрепленные к корпусу лапы с шарошками, установленные в продувочные каналы сопла, в которых размещен шламозащитный запорный орган, снабженный каркасом, выполненным в виде усеченного конуса с открытыми торцами и окнами на боковой поверхности. Каркас установлен в полости с упором фланца в уступ корпуса долота. Конус снабжен обратным клапаном, выполненным в виде плоского рукава с прорезью и расположенным за пределами выпускного отверстия сопла. Сопло закреплено в корпусе долота осевым фиксатором. Кольцевой выступ расположен между уступом корпуса долота и верхним торцом сопла (см. патент RU №2087664, МПК 6 E21B 10/08, E21B 27/00, 1997 г.).
Известны способы бурения с помощью расплавления породы, например, лазером, небольшим атомным реактором (см. В.Е.Копылов. «Бурение?… Интересно!». Москва, «Недра», 1981 г., с.130-135).
Недостатками данных способов и устройств являются сложность конструкции, дороговизна, большая трудоемкость, необходимость частой смены инструмента, низкая скорость бурения.
Наиболее близким к заявленному техническому решению (принятому в качестве прототипа) по совокупности существенных признаков являются устройство и способ кумулятивного бурения, при которых внутрь камеры сгорания, находящейся внутри долота, подают и поджигают поочередно заряды взрывчатого вещества, при этом заряды взрывчатых веществ выполнены с выемками (см. патент RU №2291943, МПК E21B 7/14 (2006.01), 2007 г.).
Недостатками данного способа являются нахождение оси единственной камеры сгорания под определенным фиксированным углом к оси долота, неудовлетворительный способ подачи и поджигания зарядов, ненадежный способ разделения зарядов.
Была поставлена задача создания устройства с возможностью подачи зарядов под разными углами к оси долота для более рационального распределения пробиваемых в породе отверстий и углублений, обеспечения надежного подрыва (поджигания) зарядов, а также увеличение скорости бурения, упрощение и удешевление процесса бурения.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для кумулятивного бурения скважин, включающем долото с камерой сгорания внутри, заряды с взрывчатыми веществами и с кумулятивными выемками, камера сгорания выполнена поворачивающейся под углом к оси долота, или внутри долота выполнены, по меньшей мере, две камеры сгорания, соединенные с вращающимся распределителем зарядов, или ось камеры сгорания совпадает с осью долота, или под углом к оси долота, или смещена параллельно оси долота, или расположена с некоторым смещением и под углом к оси долота, взрывчатые вещества в зарядах могут быть расположены внутри хрупких, легко разрушаемых или легко сгораемых оболочек, оболочки взрывчатых веществ могут быть выполнены с рифлением поверхностей, кумулятивные выемки на зарядах могут быть выполнены под различными углами к оси самого заряда, внутренняя поверхность камеры сгорания может быть выполнена ребристой, на зарядах и/или в камере сгорания может быть расположено устройство для подрыва заряда электрического действия, с установкой на зарядах контактов, контактирующих с контактами, расположенными в камере сгорания долота, к которым подсоединен источник тока, или ударного действия с расположением в долоте ударного механизма, а на зарядах установлены инициирующие капсюли или наведением электромагнитной индукции на кумулятивный заряд, устройство для кумулятивного бурения скважин дополнительно может быть снабжено устройством для подачи зарядов.
Выполнение камеры сгорания, поворачивающейся под углом к оси долота, или выполнение внутри долота, по меньшей мере, двух камер сгорания, соединенных с вращающимся распределителем зарядов, позволяет подавать заряды под разными углами к оси долота для получения более рационального распределения пробиваемых в породе отверстий и углублений, тем самым, повышая эффективность разрушения породы в забое.
Расположение оси камеры сгорания, совпадающей с осью долота или под углом к оси долота, или смещенной параллельно оси долота, или расположенной с некоторым смещением и под углом к оси долота, позволяет изготовление долот небольшого диаметра.
Изготовление зарядов с взрывчатыми веществами внутри хрупких, легко разрушаемых или легко сгораемых оболочек, и выполнение самих оболочек с рифлением поверхностей позволяет, после подрыва заряда, освободить камеру сгорания для очередного заряда.
Выполнение на самих зарядах кумулятивных выемок под различными углами к оси самого заряда позволяет увеличить разброс направлений кумулятивных струй, тем самым, повышая эффективность разрушения породы в забое.
Выполнение внутренней поверхности камеры сгорания ребристой позволяет при взрыве взрывчатого вещества внутри заряда раскалывать оболочку заряда на более мелкие кусочки, что позволяет гарантированно освобождать камеру сгорания для очередного заряда.
Изготовление на зарядах и/или в камере сгорания устройства для подрыва заряда электрического действия, с расположением на зарядах контактов, контактирующих с контактами расположенными в камере сгорания долота, к которым подсоединен источник тока, или ударного действия, с расположением в долоте ударного механизма, а на зарядах установкой инициирующих капсюль, или наведением электромагнитной индукции на кумулятивный заряд, позволяет подрывать заряды с взрывчатыми веществами внутри камеры сгорания.
Использование устройства для подачи зарядов позволяет подавать заряды в камеру сгорания в долоте, через колонну бурильных труб, используя энергию потока промывочной жидкости или сжатого воздуха.
Анализ заявляемого технического решения в сравнении с уровнем техники по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявляемого решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Анализ известных технических решений в данной области показал, что заявляемое решение имеет совокупность существенных признаков, неизвестную ранее, которая при использовании их в заявляемом техническом решении дает возможность получить новый технический эффект, следовательно, заявляемое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг.1 схематично изображено долото с распределителем зарядов, поворачивающимся под углом к оси долота;
на фиг.2 схематично изображено долото с несколькими камерами сгорания, соединенными с вращающимся распределителем зарядов;
на фиг.3 схематично изображено долото с камерой сгорания, расположенной с некоторым смещением и под углом к оси долота (один из частных случаев);
на фиг.4 схематично изображен кумулятивный заряд, продольный разрез;
на фиг.5 схематично изображен кумулятивный заряд с рифленой поверхностью, внешний вид;
на фиг.6 схематично изображен заряд с кумулятивной выемкой, выполненной под углом к оси самого заряда;
на фиг.7 схематично изображено расположение контактов на зарядах и контактирующие с ними контакты, расположенные в камере сгорания долота, к которым подсоединен источник тока;
на фиг.8 - разрез А-А на фиг.7;
на фиг.9 схематично изображено долото с расположенным в нем ударным механизмом, а на зарядах установлены инициирующие капсюли;
на фиг.10 - разрез А-А на фиг.9;
на фиг.11 схематично изображено долото с расположенной в нем катушкой индуктивности;
на фиг.12 - разрез А-А на фиг.11;
на фиг.13 схематично изображено устройство для подачи зарядов, где толкатель находится в крайнем, открытом для зарядов из магазина положении;
на фиг.14 - вид сверху на фиг.13;
на фиг.15 схематично изображено устройство для подачи зарядов, где толкатель находится в крайнем, закрытом для зарядов из магазина положении;
на фиг.16 - вид сверху на фиг.15.
Устройство для кумулятивного бурения скважин содержит долото, имеющее корпус 1, внутри которого установлена камера сгорания 2. В камеру сгорания 2 подается выполненный с кумулятивной выемкой заряд 3 с взрывчатым веществом. Взрывчатые вещества в зарядах могут располагаться внутри хрупких, легко разрушаемых или легко сгораемых оболочек. Оболочки взрывчатых веществ в зарядах 3 могут быть выполнены с рифлением поверхностей. Также заряды 3 могут быть выполнены с кумулятивными выемками под различными углами к оси самого заряда 3. Корпус 1 может быть армирован вставками 4 из сверхтвердых материалов. Внутренняя поверхность камеры сгорания 2 может быть выполнена с ребрами 5.
Камера сгорания 2 может быть установлена шарнирно в пазу корпуса 1 и управляется приводом 6, который может быть выполнен пневматическим, или гидравлическим, или электрическим. Камера сгорания 2 соединена с гибким шлангом 7. Возможен вариант исполнения с установленными в корпусе 1 неподвижными камерами сгорания 2. В случае, когда для подачи зарядов 3 в камеры сгорания 2, внутри корпуса 1 установлен вращающийся распределитель зарядов 8 (механизм для дискретного вращения вращающегося распределителя зарядов 8 может быть различным и условно не изображен). Также возможен вариант исполнения, когда ось камеры сгорания 2 совпадает с осью корпуса 1 долота или расположен под углом к оси корпуса 1 долота, или смещена параллельно оси корпуса 1 долота, или расположена с некоторым смещением и под углом к оси корпуса 1 долота.
На фиг.3 схематично изображен один из вариантов расположения камеры сгорания 2 относительно оси корпуса 1 долота, с некоторым смещением и под углом к оси корпуса 1 долота. Другие частные случаи с расположением камеры сгорания 2 по оси корпуса 1 долота и с расположением камеры сгорания 2 под углом к оси корпуса 1 долота, и с параллельным смещением оси корпуса 1 долота не показаны.
На зарядах 3 и/или в камере сгорания 2 расположено устройство для подрыва заряда 3. Устройство для подрыва зарядов 3 может быть выполнено электрического или ударного действия, или наведением электромагнитной индукции. В устройстве для подрыва зарядов электрического действия, заряды 3 могут быть выполнены с установленными на их наружных поверхностях контактами 9 и соответственно установлены контактирующие с ними контакты 10 на камерах сгорания 2, к которым подсоединен источник тока 11. В устройстве для подрыва зарядов ударного действия на зарядах 3 могут быть установлены инициирующие капсюли 12, а на камерах сгорания 2 установлен ударный механизм 13. В случае поджигания зарядов 3 электромагнитной индукцией, на камерах сгорания 2 могут быть установлены катушки индуктивности 14.
Устройство для кумулятивного бурения скважин дополнительно может быть снабжено устройством для подачи зарядов, состоящим из магазина 15, толкателя 16, соединенного с приводом 17. Толкатель 16 входит в трубу 18, по которой течет промывочная жидкость или подается сжатый воздух в забой пробуриваемой скважины, и расположен на направляющей 19. Труба 18 может быть частью одной из бурильных труб или может находиться отдельно, или быть соединенной с колонной бурильных труб (случай соединения с колонной бурильных труб условно не изображен).
Устройство для кумулятивного бурения скважин работает следующим образом.
В камеру сгорания 2, находящуюся в корпусе 1, подаются заряды 3. Заряды 3 в камерах сгорания 2 подрываются с помощью подачи электрического тока на контакты 9, расположенные на зарядах 3, через контакты 10 на стенках камеры сгорания 2. Или заряды 3 подрываются с помощью ударного механизма 13, воздействующего на инициирующие капсюли 12, расположенные на зарядах 3. Или наведением электромагнитной индукции на, например, металлические опилки или проволоку и т.д., находящиеся в инициирующем веществе в кумулятивном заряде 3, с помощью катушки индуктивности 14.
После взрыва заряда 3, кумулятивная струя пробивает в забое породу, разрушая ее. Тем самым облегчается последующее окончательное механическое разрушение породы. Также возможен вариант, когда вместо последующего механического разрушения, или совместно с механическим разрушением, можно применять, для разрушения породы, струю жидкости под высоким давлением. Внутренняя поверхность камеры сгорания 2 может быть выполнена с ребрами 5, для облегчения разрушения оболочки заряда 3 на более мелкие осколки, что облегчит их вынос, после взрыва, промывочной жидкостью или сжатым воздухом из камеры сгорания 2 в забой и позволит освободить камеру сгорания 2 для очередного заряда 3. Для облегчения разрушения оболочек зарядов 3 возможно их изготовление из хрупкого материала или из легко сгораемого материала, и/или изготовление оболочки зарядов 3 с рифлением поверхностей. Выполнив кумулятивные выемки зарядов 3 под различными углами к оси самого заряда 3, можно увеличить разброс направлений кумулятивных струй и, тем самым, повысить эффективность разрушения породы в забое. В случае когда камера сгорания 2 установлена шарнирно в корпусе 1, заряды 3 подаются через гибкий шланг 7. С помощью привода 6, камера сгорания 2 изменяет угол наклона в поперечном от оси долота направлении. Это позволяет получить более рациональное распределение пробиваемых в породе отверстий и углублений, тем самым, повышая эффективность разрушения породы в забое. В случае когда в долоте, по меньшей мере, две камеры сгорания 2 и они расположены в корпусе 1 неподвижно, будет использоваться дискретно вращающийся распределитель зарядов 8 для подачи зарядов 3 последовательно в разные камеры сгорания 2. В случае когда ось камеры сгорания 2 совпадает с осью долота или под углом к оси долота, или смещена параллельно оси долота, или расположена с некоторым смещением и под углом к оси долота, возможно использование для бурения скважин долот небольшого диаметра.
Установка дополнительного устройства для подачи зарядов позволяет подавать заряды 3 в камеру сгорания 2 в долоте, используя энергию промывочной жидкости или сжатого воздуха.
Устройство для подачи зарядов работает следующим образом. На толкатель 16 подаются заряды 3 из магазина 15. Толкатель 16 приводится в действие приводом 17 и, двигаясь по направляющей 19, совершает возвратно-поступательные движения, подавая, таким образом, заряды 3 по одному из магазина 15 в трубу 18, где они, попадая туда, увлекаются течением промывочной жидкости или сжатого воздуха в долото, находящееся в забое пробуриваемой скважины.
Заявляемое устройство для кумулятивного бурения скважин позволяет увеличить скорость бурения, упростить и удешевить процесс бурения, позволяет подавать заряды под разными углами к оси долота и обеспечивает надежный подрыв (поджигание) зарядов.
Технический результат достигается новой совокупностью существенных признаков: выполнением камеры сгорания, поворачивающейся под углом к оси долота, или выполнением внутри долота, по меньшей мере, двух камер сгорания, соединенных с вращающимся распределителем зарядов, или расположением оси камеры сгорания на оси долота или под углом к оси долота, или смещенной параллельно оси долота, или с некоторым смещением и под углом к оси долота, расположением взрывчатых веществ в зарядах внутри хрупких, легко разрушаемых или легко сгораемых оболочек, выполнением оболочки взрывчатых веществ с рифлением поверхностей, выполнением кумулятивных выемок на зарядах под различными углами к оси самого заряда, выполнением внутренней поверхности камеры сгорания ребристой, наличием на зарядах и/или в камере сгорания устройства для подрыва заряда, наличием дополнительного устройства для подачи зарядов.
Заявляемое устройство для кумулятивного бурения скважин может быть изготовлено на стандартном оборудовании из известных материалов с использованием известных технологий и соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».