Виброгаситель-калибратор
VIBRATION DAMPER-CALIBRATOR

Предлагаемое изобретение относится к опорно-центрирующим элементам бурильной колонны и может использоваться при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин.
При работе на забое бурового инструмента, бурильная колонна постоянно испытывает сильные продольные и поперечные колебания, значительно ускоряющие износ инструмента и снижающие показатели бурения. Если колебания входят в резонанс, стойкость любого бурового инструмента катастрофически уменьшается. Для снижения вредного влияния продольных и поперечных колебаний в компоновку бурильной колонны вводят различные опорно-центрирующие элементы - центраторы, калибраторы, стабилизаторы и др.
Известен центратор с верхней и нижней опорными поверхностями (1), принятый за аналог. Для предупреждения заклинивания центратора в стволе скважины в процессе работы, его опорные поверхности выполнены цилиндрическими, а оси этих поверхностей наклонены относительно оси устройства. Сила реакции со стороны стенки скважины воспринимается пружинами кручения. При увеличении момента, возникающего при прохождении суженных участков ствола, диаметр центратора уменьшается и пружина кручения скручивается. При уменьшении момента прохождения суженных участков пружина раскручивается и диаметр центратора восстанавливается. Возможность плавного изменения диаметра за счет воздействия пружины положительно влияет на работу центратора. Однако, наличие двухъярусного расположения рабочих элементов на разной высоте, не позволяет им работать синхронно, что приводит к неравномерному центрированию колонны. Кроме того, сама конструкция узлов пружин кручения не может обеспечить достаточную длительность работы пружин, поскольку оба пружинных узла не имеют герметизации от попадания шлама в открытые полости между рабочими элементами и ограничительными гайками. Поэтому при спуске колонны неизбежно соскребание шлама со стенки скважины торцами рабочих элементов и заклинивание кручения витков пружин друг относительно друга.
Известно устройство для калибрования скважин (2), принятое за второй аналог. Это устройство также предназначено для калибрования стенки скважины и уменьшения поперечных колебаний бурильной колонны в призабойной зоне. Оно снабжено несколькими, обычно четырьмя, продольными гранями и лопастями, армируемыми износостойкими твердосплавными порошками или зубками. Это позволяет достигать значительной стойкости устройства при бурении. К тому же, его конструкция достаточно проста с точки зрения технологии изготовления. Указанные преимущества обуславливают широкое применение второго аналога в практике глубокого бурения. К недостаткам этого лопастного калибратора необходимо отнести то, что он способен лишь частично уменьшать амплитуду поперечных колебаний во время ударов о стенку скважины отдельных лопастей. Причиной этого является то, что диаметр калибратора выбирается равным диаметру долота. Диаметр же скважины разбивается при радиальном биении колонны и долота, и становится на несколько миллиметров больше диаметра долота, даже при бурении устойчивых пород. Поэтому одновременный контакт всех лопастей с калибруемой стенкой не возможен. Единовременно могут контактировать со стенкой лишь одна или две лопасти во время их ударов при колебаниях, что приводит к неравномерному центрированию колонны. К недостаткам четырехлопастных калибраторов относится еще и то, что максимальное расстояние от середины хорды в поперечном сечении корпуса у каждой из четырех плоских граней калибратора до стенки скважины всегда кратно больше, чем расстояние между радиальной поверхностью скругленной части лопасти и стенкой скважины. Это вызывает значительную разницу амплитуд колебаний при смене двух вышеуказанных направлений биения, что также усиливает неравномерность центрирования колонны.
Известен наддолотный амортизатор (3), взятый за третий аналог. Он состоит из корпуса, верхнего и нижнего переводника и наборной тарельчатой пружины. Нижний переводник выполнен двухосным и снабжен четырехшариковым замком для связи переводника с корпусом, позволяющим обеспечить кроме передачи вращения долоту также и возможность при этом сильфонных смещений долота по трем осям координат. За счет сжатия и разжатия элементов наборной тарельчатой пружины обеспечивается амортизация и гашение вредных осевых и поперечных колебаний колонны и долота, а значит и повышение его стойкости и показателей в бурении. Главным недостатком этого амортизатора является то, что его основная часть - наборная тарельчатая пружина, механически собирается из отдельных цилиндрических и конических элементов. Она должна амортизировать и стабильно выдерживать тысячи циклов «сжатие-разжатие» от колебаний бурильной колонны при ее многотонных нагрузках. При этом одновременно одна часть элементов наборной тарельчатой пружины должна работать на сжатие, а другая - на растяжение. Обеспечить равнопрочные свойства этих элементов для самых различных условий и режимов бурения практически невозможно. Кроме того, чтобы обеспечить возможность смещения долота и амортизации по всем трем осям координат, необходимо заложить большие пространственные зазоры во всех четырех шариковых шлицевых замках, сквозь которые свободно проходит промывочная жидкость с абразивом. Это, в свою очередь, еще более снижает износостойкость отдельных узлов и срок работы амортизатора.
Известно надшарошечное устройство для шарошечного бурения (4), принятое за прототип. Внутри корпуса этого устройства расположен амортизатор, с набором предварительно сжатых гайкой упругих элементов, а также шлицевая пара, позволяющая передавать вращение долоту и обеспечивать при этом амортизацию при сжатии и разжатии упругих элементов во время продольных колебаний бурильной колонны. Поперечные колебания колонны воспринимаются продольными ребрами нижнего корпуса. Положительные свойства устройства - возможность регулирования амплитуды предварительным сжатием упругих элементов гайкой и наличие приводной шлицевой пары за пределами корпуса долота. Это позволяет использовать при бурении серийно выпускаемые шарошечные долота. К недостаткам устройства следует отнести то, что оно спроектировано для бурения с очисткой забоя сжатым воздухом. А также то, что при наличии массивной нижней части корпуса с продольными ребрами, воспринимающими и передающими на амортизатор поперечные колебания, неизбежна большая инерционность, снижающая амортизационный эффект, а значит и возможность повышения стойкости бурового инструмента.
В предлагаемом изобретении устранены указанные недостатки аналогов и прототипа при использовании их достоинств.
Это достигается тем, что предлагаемый виброгаситель-центратор включает корпус с центральным отверстием для подачи на забой промывочной жидкости и двумя присоединительными резьбами для установки его в бурильную колонну, разделенный наружными промывочными каналами на отдельные рабочие секторы, каждый из которых оснащен выдвигающимися над диаметральной поверхностью корпуса вставными плавающими подпружиненными элементами-гасителями поперечных колебаний бурильной колонны, наружная поверхность которых со стороны стенки скважины армирована износостойкими твердосплавными зубками или резцами PDC для одновременного калибрования ствола скважины; в каждом рабочем секторе выполнены продольные пазы в форме «ласточкина хвоста», открытые со стороны забоя и закрытые с противоположной стороны, позволяющие установить и подвижно закрепить в них плавающие вставные элементы с выдвигающими их пружинами, имеющие размеры и конфигурацию, конгруэнтные форме пазов, открытые концы которых закрыты защитными крышками со стопорными элементами; величина максимального выдвижения плавающих вставных элементов над диаметром корпуса обеспечивается выбором угла поднутрения продольных пазов в пределах α = 5-16°, который при выборе бокового зазора между наклонными внутрь стенками пазов и боковыми стенками плавающих вставных элементов, позволяет выдвигающим пружинам выдвинуть их калибрующую поверхность на расчетную величину над диаметром корпуса, которая может подрегулироваться и фиксироваться с помощью стягивающегося кольца.
Конструкция выталкивающих пружин, в зависимости от необходимой величины выступания плавающих элементов, должна надежно ее обеспечивать. Эта конструкция может быть представлена, например, фигурно согнутой рессорной пружиной, подходящей по габаритам пространству дна продольных пазов или торцевой плоской пружиной типа «Бельвиль», широко применяемой для герметизации опор шарошечных долот и устанавливаемой между торцами цапф и шарошек. В пружинах «Бельвиль» большие торцевые упругие свойства обеспечиваются прорезями цангового типа в одном из плоских уровней пружины. После выполнения таких прорезей, химико-термической обработки и обрезинивания, пружина приобретает стабильные пружинные и герметизирующие свойства при установке между плоскими поверхностями торцев цапф лап и шарошек. Пружины типа «Бельвиль» изготавливаются штамповкой из листовой пружинной стали, например, типа 65Г. В предлагаемом устройстве наружный контур выдвигающих пружин должен быть выполнен соответственно форме дна продольного паза «ласточкин хвост». При установке в пазы плавающих элементов, пружины необходимо сжимать. При расчете амплитуды сжатия пружины, нужно обеспечить условие, чтобы усилие сжатия пружины сохранялось в течение всего срока работы или хранения устройства. Это условие достигается выбором материала, толщины исходного стального листа и параметров химико-термической обработки пружины. Величину постоянного усилия поджатая плавающих элементов для конкретных конструкций и размеров виброгасителей-калибраторов необходимо выбирать экспериментально. Для предотвращения вырыва плавающих элементов из гнезд при контакте со стенкой скважины во время подъема бурильной колонны, могут использоваться любые известные защитные крышки с винтовыми стопорами, например, как показано на фиг. 4.
Предлагаемый виброгаситель-калибратор для гашения поперечных колебаний бурильной колонны может быть применен в одной компоновке вместе с надшарошечным устройством, предназначенным для гашения продольных колебаний, приведенным в качестве прототипа настоящей заявки.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает общий вид виброгасителя - калибратора, на фиг. 2 - поперечное сечение А-А корпуса устройства, на фиг. 3 - фрагмент поперечного сечения А-А корпуса устройства в положении сжатой выталкивающей пружины, на фиг. 4 - продольное сечение Б-Б корпуса устройства в положении с разжатой пружиной, на фиг. 5 - вид В на стяжное кольцо, позволяющее регулировать диаметр выступающих вставных элементов.
max
min
На фиг. 1 позициями обозначены: 1 - корпус устройства, 2 и 3 - присоединительные элементы к бурильной колонне (муфта и ниппель), 5 - плавающий вставной элемент, 6 -износостойкие породоразрушающие зубки, 7 - упор на корпусе 1 для плавающего вставного элемента, 8 - фиксирующая защитная крышка, 9 - стопорный болт для защитной крышки 8. На фиг. 2 в дополнение к позициям, указанным на фиг. 1 обозначены: 4 - паз на корпусе 1 в форме «ласточкин хвост», 10 - центральный промывочный канал, 11 - боковые промывочные каналы для обратной промывки, 12 -боковая форма плавающего вставного элемента 5, конгруэнтная форме паза «ласточкин хвост» в корпусе 1, 13 - выдвигающая пружина, угол α - угол поднутрения паза «ласточкин хвост». На фиг. 3, в дополнение к указанным на фиг. 1 и 2 позициям, обозначены: 14 - сжатая выдвигающая пружина, D - положение диаметра по максимально выдвинутому плавающему элементу 5, D - положение диаметра по задвинутому плавающему элементу 5 при сжатой выдвигающей пружине, (предпочтительно, чтобы это положение соответствовало диаметру бурового долота), δ - полузазоры, возникающие между боковыми поверхностями паза 4 на корпусе 1 и боковыми поверхностями задвинутого плавающего вставного элемента 5, F - направление силы сжатия выдвигающей пружины от контакта со стенкой скважины. На фиг. 4 и 5, в дополнение к указанным на фиг. 1, 2, 3, позициям, обозначены: 15 -регулирующее сжимаемое кольцо с боковыми выступами 16, сжимающим винтом 17 и гайкой 18, угол β, обеспечивающий возможность регулирования диаметра схождением концов кольца 15.
max
Сборка виброгасителя-калибратора осуществляется следующим образом. В полости продольных пазов 4 на корпусе 1 вводятся выдвигающие пружины 13 и сжимающие их плавающие вставные элементы 5 до упора в конце полости паза. Другие концы пазов, обращенные в сторону забоя, закрываются и фиксируются, например, защитными крышками 8 со стопорными болтами 9. Максимальный диаметр D. выдвинутого положения плавающих вставных элементов обеспечивается технологически расчетными величинами угла поднутрения α, расчетной шириной верхней части плавающих вставных элементов 5 в верхней части паза 4 и усилием выталкивающих пружин 13. В случае, когда реальная величина выступания плавающих элементов в уже собранном устройстве превышает величину, необходимую для какого - то возможного уменьшенного по диаметру интервала пород на стенке скважины, она может подрегулироваться в сторону некоторого уменьшения с помощью сжимающегося кольца 15 до нужного размера. Этот отрегулированный размер диаметра выступающих плавающих элементов может быть проверен с помощью наружного эталонного проходного кольца (не показано).
Работает виброгаситель-калибратор следующим образом. После сборки и обеспечения нужного размера по диаметру выступающих плавающих вставных элементов 5, виброгаситель-калибратор устанавливается в бурильную колонну в непосредственной близости над буровым долотом. Колонна спускается на забой и начинается бурение. Во время возникновения поперечных колебаний колонны, под действием ударов или контакта о стенку скважины, выступающие плавающие вставные элементы углубляются внутрь пространства «ласточкина хвоста» и сжимают выдвигающие пружины, которые постоянно стремятся вытолкнуть элементы наружу, и, при этом, амортизируют поперечные колебания колонны. Такая амортизация способствует тому, что породоразрушающие зубья долот при перемещении по поверхности забоя следуют только по своей круговой линейной траектории и лишаются вредных, неизбежных ранее, дополнительных колебательных поперечных перемещений вдоль радиуса забоя, способствующих резкому ускорению дополнительных поломок вооружения и износа опор. Исключение такого дополнительного износа при применении предлагаемого виброгасителя-калибратора позволяет значительно повысить стойкость и показатели в бурении долот с любым видом калибрующих стенку скважины породоразрушающих зубьев - фрезерованных, твердосплавных или PDC.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «Центратор», патент РФ № 1239257, кл. E21В, 17/10, 1986 г.
2. А.Г. Калинин «Бурение нефтяных и газовых скважин», ЦентрЛитНефтеГаз, М. 2008 г., с. 422.
3. «Наддолотный амортизатор», патент РФ №192119, кл. E21В, 32/50, 1967 г.
4. «Наддолотное устройство для шарошечного бурения», патент РФ №2027844, кл. Е21В, 10/24, 1995 г.