УСТРОЙСТВО ДЛЯ РОТОРНО-ШПИНДЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
FACILITY FOR ROTOR-SPINDLE DRILLING OF WELLS

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и может использоваться для совершенствования технологии бурения разреза горных пород.
Наиболее близким техническим решением является устройство вращательного бурения, принятое за прототип, состоящее из бурильной колонны, долота и встроенного по одной оси между ними с помощью переводников корпуса, в котором размещены вал, осевая и радиальные опоры, уплотнения, пластинчатые пружины с различными направлениями навивок, соединяющие корпус и вал устройства [SU 1726722 А1, кл. Е21В 4/06, опубл. 15.04.92. Бюл.№14].
Основные недостатки устройства для вращательного бурения скважин следующие.
В устройстве для одновременной передачи вращающего момента М и осевого усилия G на долото предложено применять витые спаренные пружины с разным направлением навивки, что технически сложно выполнить в связи с ограниченным по диаметру пространством скважины. Для применения таких пружин нет точных расчетов, так как их жесткости вдоль оси, а также на кручение изменяются нелинейно. Следовательно, механизм одновременной передачи М и G малоэффективен, особенно при необходимости поддерживать определенную жесткость передачи G на долото. При этом менять место приложения G по длине (вдоль оси скважин) таких пружин технически сложно. Подбор этого типа и сочетания пружин с целью одновременного гарантированного снижения возможности и необходимости предотвращения резонансных явлений в упругом звене передачи М и G затруднен. Из опыта эксплуатации шпинделя типа ШИП с различными пружинами и пружин в железнодорожных вагонах известно, что потенциальный ресурс их на отказ при осевых усилиях более 20 кН весьма мал и ограничен во времени несколькими часами работы.
г
Кроме отмеченных есть и другие недостатки в известном устройстве: нет механизма для повышения перепада давления в потоке промывочной жидкости, которым можно создать необходимое гидравлическое осевое усилие G на вал шпинделя, когда нельзя применять струйные насадки долота, особенно при бурении с наполнителями для ликвидации поглощений в скважине.
Задачей, на выполнение которой направлено заявляемое техническое решение, является разделение в устройстве для роторно-шпиндельного бурения функций передачи вращающего момента М и осевой нагрузки G на долото с введением новых элементов.
Технический результат состоит в повышении механической скорости проходки скважины и проходки на долото путем повышения эффективности воздействия вооружения (зубков) долота на породу на забое скважины и увеличения времени работы устройства и долота и кратного увеличения объема выбуриваемой породы.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для роторно-шпиндельного бурения скважин содержит бурильную колонну, осевую опору в форме шпинделя с корпусом, полым валом с отверстиями и уплотнениями и центрирующие элементы, между бурильной колонной и корпусом шпинделя встроен дополнительный корпус устройства, к валу шпинделя по одной оси присоединен торсионный вал; в верхней части дополнительного корпуса устройства встроена верхняя траверса, в которой выполнены отверстия для установки в них регулируемых по диаметру струйных насадок и гнездо для центрирования верхней пружины, опирающейся на шайбу и граненую часть торсионного вала, в верхней части дополнительного корпуса устройства встроена нижняя траверса с отверстиями для прохода через них промывочной жидкости и центральным граненым отверстием, в котором размещена граненая часть торсионного вала; в дополнительном корпусе устройства на торсионный вал надеты от одной до трех параллельно и/или последовательно работающих на сжатие пружин с их опорой на пластину с отверстиями для прохода промывочной жидкости, над пружинами установлены кольцо и патрубок для регулировки величин поджатия пружин, к нижнему центрирующему элементу присоединен переводник к долоту; пластина с отверстиями для прохода промывочной жидкости установлена на буртик или на коническую часть торсионного вала, причем нижний конец торсионного вала выполнен с резьбой или со шлицами.
Причинно-следственная связь между заявляемым техническим результатом и существенными признаками технического решения следующая. Повышение механической скорости обеспечивается тем, что работа устройства отличается воздействием на горную породу путем встраивания между бурильной колонной и осевой опорой-шпинделем, применяемым в забойном двигателе, дополнительного устройства.
В корпусе дополнительного устройства с торсионным валом, опирающимся на вал шпинделя, расположены несколько стальных пружин, работающих на сжатие, нижняя траверса для передачи вращающего момента М и осевого усилия G на долото, верхняя траверса, закрепленная в корпусе дополнительного устройства выше торсионного вала, с возможностью улучшения регулирования гидравлической нагрузкой на вал устройства и на долото. Для регулирования гидравлической нагрузки в верхней траверсе изготовлены отверстия для встраивания струйных насадок с расчетными выходными диаметрами и гнездо для центрирования верхней пружины, опирающейся на верхнюю часть торсионного вала.
сж
пр
п
г
На чертеже изображено устройство для роторно-шпиндельного бурения скважин, где стрелками обозначены G, G, T - осевые усилия от веса сжатой части бурильной колонны, от предварительно поджатых пружин и на осевую опору шпинделя; G, G - гидравлическое усилие на вал устройства и осевая нагрузка на долото.
Устройство для роторно-шпиндельного бурения скважин содержит бурильную колонну 1, осевую опору 2, выполненную в форме шпинделя с корпусом 3, полым валом 4 с отверстиями 5 и уплотнениями 6, и центрирующие элементы 7 (нижнее, среднее и верхнее). Между бурильной колонной 1 и корпусом 3 шпинделя встроен дополнительный корпус 8 устройства. Дополнительный корпус 8 устройства жестко соединен с корпусом 3 шпинделя. Внутри дополнительного корпуса 8 устройства расположен по одной оси торсионный вал 9, присоединенный к полому валу 4 шпинделя. В верхней части дополнительного корпуса 8 устройства встроена верхняя траверса 10, в которой выполнены отверстия для установки в них регулируемых по диаметру струйных насадок 11, и гнездо 12. В верхней части дополнительного корпуса 8 устройства встроена, например, с применением резьбы нижняя траверса 13 с отверстиями 14 для прохода через них промывочной жидкости и выполнено центральное граненое отверстие 15, в котором размещена граненая часть 16 торсионного вала 9. Нижняя траверса 13 зафиксирована контргайкой 17. Между граненой частью 16 торсионного вала 9 на его верхнюю часть 18 установлены шайба 19 и верхняя стальная пружина 20, вставленная для центрирования верхним концом в гнездо 12. В дополнительном корпусе 8 устройства на торсионный вал 9 надето от одной до трех параллельно и/или последовательно работающих на сжатие стальных пружин 21 с их опорой на кольцо 22. Над пружинами 21 установлены кольцо 23 и патрубок 24 для регулировки величин поджатия пружин 21. К нижнему центрирующему элементу 7 присоединено через переводник 25 долото. Кольцо 22 установлено на буртик 26 или на нижнюю часть 27 торсионного вала 9. Нижний конец 27 торсионного вала 9 выполнен с резьбой или со шлицами в форме конуса.
сж
При формировании компоновки бурильной колонны 1 длину ее стальной части в сжатом состоянии l определяют по формуле:
,
где С - скорость звука в материале динамически активного участка бурильного инструмента, м/с;
з
f -частота осевых вибраций зубцов долота с учетом деформации забоя скважины, Гц;
З
G - осевая нагрузка на забой скважины, Н;
ГВ
G - гидравлическое осевое усилие на вал шпинделя, Н;
сж
q - вес одного метра бурильных труб, Н/м;
ТР
G - осевые силы трения бурильной колонны при движении к забою скважины, Н.
г
u
г
з
Устройство работает следующим образом. При бурении осуществляется раздельная передача вращающего момента М и осевой нагрузки G от бурильной колонны 1 к валу 4 шпинделя и долоту. Вращающий момент М и осевая нагрузка G от бурильной колонны 1 к валу 4 шпинделя и далее через переводник 25 к долоту передается через торсионный вал 9 и нижнюю траверсу 13. Торсионный вал 9 и вал 4 шпинделя устройства нагружается осевым гидравлическим усилием G, сформированным путем создания перепадов давления в промывочном узле долота и регулируемых по поперечной площади отверстиях для прохода промывочной жидкости верхней траверсы 10. Компенсирующие динамические и статические осевые усилия от бурильной колонны 1 к валу 4 шпинделя передаются через стальные пружины 20, 21 с их расчетным количеством и проектными жесткостями при подаче бурильной колонны 1 к забою. Верхняя пружина 20 передает осевые усилия на верхнюю часть 18 торсионного вала 9, а пружина 21 на нижнюю часть 27 торсионного вала 9. В результате вращающий момент М от бурильной колонны 1 через нижнюю траверсу 13 и торсионный вал 9 передается валу шпинделя 4 (и долоту). Гидравлическое осевое усилие G, созданное в потоке промывочной жидкости, передается долоту через торсионный вал 9 и полый вал 4 шпинделя, а осевая опора 2 в шпинделе загружается осевым усилием Т, равным разности между весом разгруженной на забой скважины части бурильной колонны 1 и величиной гидравлического усилия G. Остальную часть осевой нагрузки G на долото, необходимой для обеспечения ее проектной величины, передается от бурильной колонны на осевую опору 2 шпинделя через встроенный дополнительный корпус 8 и корпус 3 шпинделя. При этом часть веса бурильной колонны 1 передается на вал 4 шпинделя через пружины 20, 21. Одна из них 20 расположена между верхней граненой частью 16 торсионного вала 9 и верхней траверсой 10, а между нижней траверсой 13 и буртиком (уступом) 31 нижней части торсионного вала 9 установлены от одной до нескольких пружин 21 при условии свободного протекания между валом 9 и корпусом 8 промывочной жидкости, в том числе и с наполнителем в ней.
Таким образом, предлагаемые устройства позволяют сократить длину труб, регулировать осевые и гидравлические усилия на долото. Следовательно, увеличивается время работы долота и повышается механическая скорость бурения.