ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ БУРИЛЬНАЯ ГОЛОВКА СО СКОЛЬЗЯЩИМ КАЛИБРОВОЧНЫМ КОЛЬЦОМ
HYDRAULIC DRILLING HEAD WITH SLIDING CALIBRATION RING

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к гидравлической бурильной головке со скользящим калибровочным кольцом и предназначено, в частности, хотя и не исключительно, для применения в гидравлической буровой установке, принадлежащей к типу, описанному в нашей международной патентной заявке №PCT/AU02/01550, международной публикации № WO 03/042491 A1, содержание которой включено в настоящую заявку путем перекрестной ссылки.
Предшествующий уровень техники изобретения
[0002] В гидравлической буровой установке, описанной в заявке PCT/AU02/01550, применяют калибровочное кольцо, размер которого подобран таким образом, что наружный диаметр кольца приблизительно равен желаемому размеру канала скважины, которую нужно пробурить, с тем чтобы обеспечить управление движением бурильной головки сквозь породу в направлении бурения. В примере, приведенном в этой заявке РСТ, калибровочное кольцо расположено на некотором расстоянии от вращающейся форсунки в сборе бурильной головки, благодаря чему осколки породы, отделяющиеся или отлетающие под действием струй жидкости во вращающейся бурильной головке, могут проходить между калибровочным кольцом и корпусом бурильной головки и затем смываться в обратном направлении с обратным потоком бурового раствора из направляющих струй и расширяющих струй.
[0003] Было установлено, что важно поддерживать скорость обратного тока бурового раствора по скважине, с тем чтобы избежать образования в канале скважины слоя бурового шлама, который значительно повышает трение между шлангом и стенками бокового ствола скважины.
[0004] По сравнению с обычно применяемыми буровыми системами осевая нагрузка, применяемая при бурении с промывкой, весьма незначительна. Движение бурильной головки вперед обычно обеспечивается направленными назад из бурильной головки очищающими струями бурового раствора со сравнительно малой осевой нагрузкой. Такая шланговая система препятствует применению значительного «напора», который в ином случае может обеспечиваться гибкими насосно-компрессорными трубами для других видов бурильных головок, поскольку любой напор такого рода просто вызовет спиральную деформацию шланга в стволе скважины, создавая дополнительное трение и препятствуя движению вперед бурильной головки.
[0005] Было показано, что трение между шлангом и боковым стволом скважины возрастает во много раз, если шланг частично погружен в буровой шлам, уносимый по стволу скважины потоком от бурильной головки. Крайне желательно, чтобы шланг находился в незасоренном стволе скважины, поскольку наличие в стволе значительного трения быстро сводит на нет осевую нагрузку в направлении бурения и ограничивает глубину ствола скважины, которую можно пробурить с помощью гидравлической бурильной головки.
[0006] Чтобы скорость тока жидкости в боковом стволе скважины оставалась достаточно высокой для выноса бурового шлама потоком и предотвращения образования слоя шлама в боковом стволе, указанная скорость должна поддерживаться выше определенного предельного значения, чтобы гарантировать вынос осколков и шлама потоком.
[0007] Было установлено, что гидравлические бурильные головки с калибровочными кольцами описанного в международной патентной заявке PCT/AU02/01550 типа эффективно препятствуют заклиниванию головки в стволе скважины из-за чрезмерно быстрого движения, но в то же время способны замедлить или остановить продвижение бура вперед, пока направляющие струи прорезают участки твердой породы или устраняют другие препятствия. В этом случае расширяющие струи продолжают увеличивать диаметр ствола скважины и быстро создают ствол скважины, диаметр которого больше калибровочного кольца. Большой диаметр ствола скважины становится причиной снижения скорости обратного тока бурового раствора, что в свою очередь приводит к образованию слоя бурового шлама на дне бокового ствола скважины и росту сопротивления трения для шланга. Как только сопротивление трения для шланга превысит базовое значение, инструмент в любом случае не будет двигаться с оптимальной скоростью, продолжая формировать чрезмерно широкий ствол скважины. Как правило, этому сопутствуют резкие искривления ствола скважины как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости с последующим завершением бурения бокового ствола скважины.
Сущность изобретения
[0008] В связи с этим настоящее изобретение предоставляет гидравлическую бурильную головку для бурения стволов скважин в горной породе, где указанная гидравлическая бурильная головка содержит вращающуюся форсунку в сборе, содержащую множество сопел, расположенных таким образом, чтобы создавать струи жидкости при подаче в них жидкости под давлением, где указанные струи жидкости включают одну или несколько направляющих струй, направленных в общем направлении движения бурильной головки, и одну или несколько расширяющих струй, направленных существенно радиально и предназначенных для расширения исходного ствола скважины, созданной направляющими струями, а также калибровочное кольцо, расположенное за режущей головкой, размер которого соответствует желаемому диаметру ствола скважины, где указанное калибровочное кольцо может скользить вдоль оси относительно вращающейся режущей головки между задним положением, в котором открыты все расширяющие струи, и передним положением, в котором по меньшей мере часть расширяющих струй перекрывается калибровочным кольцом.
[0009] Предпочтительно, обеспечен смещающий механизм, размещенный для смещения калибровочного кольца в указанное переднее положение.
[0010] Предпочтительно, указанный смещающий механизм выполнен в виде пружины.
[0011] Альтернативно, смещающий механизм может быть выполнен в виде гидравлического элемента с усилием, создаваемым за счет нагнетания бурового раствора и воздействующего на заднюю торцевую поверхность калибровочного кольца.
[0012] В некоторых вариантах изобретения смещающий механизм может представлять собой сочетание пружины и гидравлического элемента с усилием.
Краткое описание графических материалов
[0013] Не смотря на то что в объем данного изобретения могут входить и другие варианты, один предпочтительный вариант изобретения описан ниже в качестве примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, где:
[0014] на фиг.1 представлен общий вид в перспективе гидравлической бурильной головки в соответствии с изобретением;
[0015] на фиг.2 представлен вид сбоку гидравлической бурильной головки, изображенной на фиг.1, с калибровочным кольцом в среднем положении, где оно перекрывает крайнюю заднюю расширяющую струю;
[0016] на фиг.3 представлен вид в поперечном сечении бурильной головки, изображенной на фиг.1, с калибровочным кольцом в переднем положении, где оно перекрывает все расширяющие струи; и
[0017] фиг.4 аналогична фиг.3, изображая калибровочное кольцо в заднем положении, где все расширяющие струи открыты.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
[0018] В предпочтительном варианте изобретения гидравлическая бурильная головка 1 состоит из вращающейся форсунки 2 в сборе, содержащей сопла 3 и 4, создающие направляющие струи высокого давления бурового раствора (обычно воды) 5 и 6 соответственно.
[0019] Кроме того, вращающаяся форсунка в сборе содержит расширяющие сопла 7, 8 и 9, из которых подаются расширяющие струи 10, 11 и 12 соответственно воды.
[0020] Траектория струй жидкости упрощенно изображена на прилагаемых графических материалах в виде узких стержней, выходящих из каждого сопла; кроме того, эти стержни изображены проходящими сквозь калибровочное кольцо (которое подробнее описано ниже), чтобы их направление было более наглядным, хотя на практике они могут быть покрыты или перекрыты калибровочным кольцом.
[0021] Гидравлическая бурильная головка оснащена калибровочным кольцом 13, наружный диаметр которого чуть меньше желаемого диаметра ствола скважины, который необходимо пробурить; при этом калибровочное кольцо установлено на гидравлической бурильной головке таким образом, что может скользить в осевом направлении относительно вращающейся форсунки 2 в сборе между задним положением, изображенным на фиг.4, в котором все расширяющие струи 10, 11 и 12 открыты, и передним положением, изображенным на фиг.3, в котором калибровочное кольцо перекрывает расширяющие струи, не давая им действовать за пределами области, ограниченной кольцом. Расширяющая струя может проходить из гидравлической бурильной головки в радиальном направлении, но в предпочтительном варианте направлена под углом назад, как показано на графических материалах.
[0022] Калибровочное кольцо рассчитано на прохождение потока бурового раствора и бурового шлама, образующегося под действием различных струй, через кольцевой зазор 14 между кольцом и корпусом режущей головки, позволяя шламу проходить назад сквозь отверстия 15 в хвостовом торце калибровочного кольца, через которые шлам может проходить по корпусу гидравлической бурильной головки по каналам 16 в корпусе 17 указанной головки.
[0023] Скользящее калибровочное кольцо смещается в переднее положение, как показано на фиг.3, смещающий механизм, который может представлять собой пружину 18, упирающуюся в обращенный назад буртик 19 калибровочного кольца, как показано на фиг.3, или применять давление жидкости, создаваемое напором бурового раствора, подаваемого по шлангу бурильной головки в полость 20, которая прилегает к буртику 19, как показано на фиг.4.
[0024] В процессе эксплуатации, по мере продвижения вперед гидравлической бурильной головки в стволе скважины, калибровочное кольцо 13 в конце концов соприкоснется с торцом ствола скважины, где направляющие струи 5 и 6 успели прорезать только углубление сравнительно небольшого диаметра. На этом этапе калибровочное кольцо не может двигаться вперед из окружающей его породы, однако остальная часть инструмента может беспрепятственно перемещаться вперед, преодолевая действие пружины 18 или гидравлической камеры 20. Конфигурация смещающего механизма может тщательно подбираться таким образом, чтобы обеспечить требуемую скорость движения вперед инструмента относительно калибровочного кольца.
[0025] Двигаясь вперед относительно калибровочного кольца, инструмент достигает положения, изображенного на фиг.4, в котором все расширяющие струи 10, 11 и 12 открыты и могут расширять ствол скважины до тех пор, пока его диаметр не станет больше диаметра калибровочного кольца. После этого калибровочное кольцо начинает двигаться вперед под действием пружины 18 или гидравлической камеры 20, проходя через изображенное на фиг.2 положение, в котором кольцо перекрывает крайнюю заднюю расширяющую струю 12, и при необходимости достигает крайнего положения, изображенного на фиг.3, в котором калибровочное кольцо полностью выдвинуто вперед, перекрывая все расширяющие струи 10, 11 и 12.
[0026] В положении, изображенном на фиг.3, действие направляющих струй 5 и 6 вновь становится преобладающим, при этом вращающаяся режущая головка может двигаться вперед, а калибровочное кольцо упирается в узкую часть ствола скважины и движется назад.
[0027] В умеренно сложных условиях бурения калибровочное кольцо обычно находится в сбалансированном промежуточном положении, показанном на фиг.2, а в легких условиях бурения кольцо обычно смещается до конца вперед в положение, изображенное на фиг.3, позволяя направляющим струям 5 и 6 продолжать продольное бурение ствола скважины и не давая действовать расширяющим струям, чтобы не допустить чрезмерного увеличения диаметра ствола скважины и снижения скорости возвратного потока воды от режущих струй.
[0028] Предполагается, что скользящее калибровочное кольцо будет эффективно действовать при бурении однородных пород, но в неоднородных пластах, например при движении режущей головки по поверхности раздела каменного/угольного пласта, более твердый материал (камень) будет отталкивать кольцо назад, а в пласте, который легче поддается бурению (уголь), ствол скважины будет чрезмерно расширяться. Предполагается, что решение данной проблемы возможно с помощью других вариантов изобретения, в которых калибровочное кольцо по периметру разделено на сегменты таким образом, что каждый сегмент кольца может действовать независимо от соседних сегментов.
[0029] Таким образом, предложена гидравлическая бурильная головка, позволяющая бурить в горных породах, угольных пластах и других пластах переменной плотности стволы скважин значительно более стабильного диаметра, чем было возможно до настоящего времени. Применение скользящего калибровочного кольца устраняет необходимость в очень высокой скорости подачи бурового раствора и чрезмерно тщательном выборе сопел, которые на данный момент являются единственным способом контроля диаметра ствола скважины. Благодаря тщательному контролю диаметра ствола скважины и, соответственно, сохранению высокой скорости тока бурового раствора по боковому стволу скважины удается избежать образования слоя бурового шлама на дне бокового ствола и снизить сопротивление трения для шланга. Это дает возможность бурить стволы скважин значительно большей длины, чем было возможно до сих пор с помощью гидравлических бурильных головок традиционной конструкции.