Ударное устройство кашеварова для проходки скважин

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (23) 5048704/03 (22) 07.06.92 (46) 15,1293 Бюл. М 45-46 (76) Кашеваров Юрий Борисович (54) УДАРНОЕ УСТРОЙСТВО КАШЕВАРОВА

ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН (57) Использование: ударное устройство Кашеварова для проходки скважин предназначено для работы на газовых и нефтяных месторождениях а также шахтах и рудниках для сооружения эксплуатационных и вентиляционных скважин. Сущность изобретения: ударное устройство имеет корпус с емкостями для сжатого воздуха и природного газа, (19) ÅRÖ пц 2004755 С1 (51) 5 Е21В 7 15 камеру сгорания, расположенную между корпусом и молотом. и ударник проходящий горную породу под воздействием ударов молота по ego верхней части. К корпусу устройства подсоединены обсадные трубы и трубы, по которым в емкости корпуса подается сжатый воздух и природный газ с помощью компрессоров, установленных на буровой платформе. ka верхнем конце обсадных труб установлен кронштейн с грузом, а обсадные трубы заполнены водой, через которые проходят центральная труба и труба для сжатого природного газа. 7 з.п.ф-лы, 4 ил.

2004755

Изобретение относится к технике проходки скважин на нефтяных и газовых месторождениях, а также к технике прокладки вентиляционных скважин на шахтах и рудниках, Наибольший технико-экономический эффект данное стройство может дать при

"его использовании для добычи нефти и газа способом Кашеварова, в заявку на который включено это устройство.

Аналогами предлагаемого устройства являются буровые установки, применяемые для сооружения буровых скважин при добыче нефти и природного газа. Основными недостатками этих установок является малый диаметр пробуренной скважины, большая 15 стоимость бурения и малая скорость про-. ходки скважин.

Корпус предлагаемого ударного устройства жестко соединен с обсадными трубки,, На корпусе установлены насос и емкость со 20 сжатым воздухом и природным (нефтяным) . газом, которые подаются в них по трубам . (шлангам), проходящим через обсадные трубы вместе с электрокабелем и трубой выхлопных газов. Через центральную часть 25 корпуса проходит цилиндрический шток молота, верхний торец которого вместе с цилиндрической и торцовой стенками корпуса образуют камеру сгорания, В нее поступает топливная смесь воздуха и природного газа 30 и поджигается искрой электросвечи. Давление продуктов сгорания топливной смеси в камере сгорания преобразуется в механическую энергию движения молота, ударяющему по ударнику, который пробивает 35 цилиндрический канал в горной породе в результате ее разрушения и уплотнения.

При этом диаметр канала, создаваемого ударником, превышает наружный диаметр . обсадных труб на величину, позволяющую 40 производить смещение этих труб вместе с продвигом корпуса ударного устройства (1).

Основным преимуществом предлагаемого ударного устройства перед известными буровыми установками является в 45 несколько раз большая скорость проходки скважин любого диаметра и в несколько раз меньшая стоимость погонного метра сооружения скважины.

На фиг.1 дан разрез по оси ударного 50 устройства в трех фазах положения его молота: а) верхней, б) нижней, в) промежуточной; на фиг.2 — сечение по А — А на фиг,1а; на фиг,3 — сечение по Б — Б на фиг,1а; на фиг,4— осевое сечение верхнего конца обсадной трубы с грузом (уменьшено по сравнению с фиг.1, 2 и 3).

Ударное устройство имеет корпус 1 цилиндрической формы, в верхнюю часть каторого ввинчиваются нижняя часть обсадной трубы 2 и коаксиально по отношению к ней центральная труба 3. B верхней части корпуса 1 установлены емкости 4 и 5 соответственно для сжатого воздуха и сжатого природного газа. В нижней части корпуса 1 находятся кольцевые трубы 6 и 7 соответственно для сжатых воздуха и природного газа, которые соединены с емкостями 4 и 5 патрубками 8 и 9 с клапанами 10 и

11. Нижняя торцовая поверхность корпуса 1 является верхней торцовой поверхностью камеры сгорания 12 (фиг.1а), нижняя торцовая йоверхность которой является одновременно верхней торцовой поверхностью молота 13, а боковая поверхность камеры сгорания 12 образована кольцевыми упором 14 корпуса 1, Все поверхности деталей, образующих камеру сгорания 1, имеют теплоизолирующее покрытие. Через центральную часть корпуса 1 проходит шток 15 молота 13 и выхлопные трубы 16 с клапанами 17. Корпус 1 имеет цилиндрическую выемку 18, в которой установлена стальная пружина 19.

По оси штока 15 и молота 13 проходит цилиндрический канал 20, перекрытыЙ в его нижней части самооткрывающимся клапаном 21, если давление воздуха в емкости 5 будет меньше давления в камере 22, которая образована цилиндрическим углублением в нижней торцовой части молота 13 и верхним цилиндрическим выступом 23 ударника 24, при этом выступ 23 входит на скользящей посадке (со свободным зазором) в углубление, формируя центральную камеру 22 и кольцевую камеру 25, соединенные между собой воздушным зазором между цилиндрическими поверхностями выступа 23 и углубления, образованного кольцевым выступом 26 молота 13. Кольцевая камера 25 образована цилиндрическими поверхностями выступа 23 и патрубка 27, а также торцовыми поверхностями 28 и 29 соответственно молота 13 и ударника 24, Стальной ударник 24 имеет боек 30, изготовленный из наиболее твердых сплавов, предназначенных для разрушения каменных горных пород, Центральная труба 3 ввинчивается в патрубок 31, жестко соединенный с корпусом 1 с помощью торцового кольца 32 и патрубка 33. Коаксиально в трубе 3 установлена труба 34, через которую проходит сжатый воздух от компрессора, находящегося на буровой платформе, до емкости 4, а в промежутке между стенками труб 3 и 34 проходят выхлопные газы от труб 16. Через трубу 35 в емкость 5 проходит природный газ, поступающий в нее от KDMRpeccopa, находящегося на буровой платформе.

2004755

10

35

50 в камере 22. а затем и в камере 25 превыша- нь ет в несколько раз силу тяжести молота 13, пр

В камеру сгорания 12 поступает сжатый воздух из кольцевой трубы 6 и природный газ из кольцевой трубы 7 по трубочкам 36, между отверстиями которых установлены свечи зажигания 37, которые электропроводом 38 подсоединены к устройству формирования электрических импульсов, установленному на буровой платформе. При этом провод 38 проложен через корпус 1, емкость 5 и между трубами 2 и 3. После воспламенения топливной смеси в камеру сгорания 12 впрыскивается вода через форсунки 39, подаваемая насосом 40 по трубкам 41 (фиг.2), которые проходят через емкость 4 со сжатым воздухом, Вода подается насосом 40 из обсадных труб 2, заполненных ею до буровой платформы.

Работа ударного устройства по проходке скважины производится в следующем порядке. В начальном (исходном) поло>кении, изображенным на фиг.1а, корпус 1 кольцевым упором 14 соприкасается с верхней торцовой поверхностью молота 13, в камере сгорания 12 находится под большим давлением топливная смесь воздуха и природного газа, поступивших соответственно из емкостей 4 и 5 через трубки 8 и 9, кольцевые камеры 6 и 7 и трубочки 36 при открытых клапанах 10 и 11.

На электросвечи зажигания 37 по про- 30 воду 38 подается электрический импульс из системы управления работой устройства.

Возникающей искрой топливная смесь в камере 12 воспламеняется, повышая давление продуктов сгорания в 6-8 раз по сравнению с давлением топливной смеси до ее воспламенения. Повышенное давление выхлопных газов вызывает ускоренное дви>кение молота 13. вниз. С уменьшением давления продуктов сгорания в 2 — 3 раза в камеру сгорания впрь«скивается из форсунок 39 вода, которая, превращаясь в пар, поддерживает высокое давление парогазовой смеси над верхней торцовой поверхностью молота, ускоряя его движение вниз, При движении вниз молота 13 происходит сжатие воздуха, находящегося между молотом 13 и ударником 24 в камерах 22 и 25, которое смягчает удар молота 13 по ударнику 24 (фиг.1б), но не уменьшает импульс силы, передаваемый ударнику для углубления его в горную породу. Вместе с молотом

13 вниз движется и шток 15, головка 42 которого сжимает пру>кину 19 и ограничивает величину хода молота 13 относительно корпуса 1, В момент остановки молота 13 при ударе об ударник 24 давления сжатого воздуха клапаны 17 выхлопных труб 9 открываются, давление выхлопных газов на молот 13 уменьшается почти до атмосферного и молот 13 начинает движение вверх. Этому движению содействует сжатая пружина 19.

Промежуточное положение молота 13, поднятого вверх сжатым воздухом в камерах 22 и 25, а также пружиной 19, изображено на фиг.1в. При этом в камерах 22 и 25 может возникнуть давление воздуха меньше, чем в емкости 4. В этом случае откроется клапан

21 одностороннего действия и в камеру 22 поступит сжатый воздух из емкости 4 через тр;бк 20. Одновременно с началом движения молота 13 вверх начнется движение корпуса 1 с обсадными трубами 2 вниз, Началу этого движения будет также содействовать сжатая пружина 19 упором s донную часть цилиндрической выемки 18. Однако основной силой, вызыва«ощей движение корпуса 1 вниз, будет являться сила тяжести обсадных труб 2 и находящихся в них воды и трубы 3 с трубой 34, а также сила тяжести дополнительного груза, устанавливаемого на торец обсадной трубы 2 с помощью подьемных устройств буровой платформы (фиг,4) после навинчивания очередного отрезка обсадной трубы 2 на верхний конец обсадных труб 2. Дополнительный груз устэнавлива«от на кронштейн 44, напримeðp, в виде шайб

45 с радиальным разрезом для прохода трубы 3 со шлангами, подсоединенными к трубам 34 и 35. В процессе прохода скважины величину дополнительного груза в вице шайб 45 изменяют в соответствии с изменением условий проходки скважины в горной породе, Для уменьшения силы трения обсадных труб 2 о стенки 46 скважины диаметр ударника 24 увеличивают по сравнению с диаметром обсадных труб 2 на cooTâeòñòâóющий допуск.

Сотрясение грунта и всего ударного устройства от ударов молота 13 по ударнику

24, а также от воспламенения топливной. смеси взрывного характера также способствует опусканию корпуса 1 ударного устройства с обсадными трубами 2 до положения. при котором кольцевой упор 14 опускается до верхнего торца молота 13, и занимает положение, изображенное на фиг.1а, образуя камеру сгоранкя 12. В момент касания электродатчика47(вмонтированного в кольцевой упор 14) молота 13«открывается клапан 10 подачи сжатого воздуха и происходит продувка камеры сгорания 12

Затем через доли секунды после открытия клапана 10 закрывается клапан 17 выхлоп«х труб, открывается клапан 11 подачи иродного газа на расчетное время, необ2004755

10

25

45

50 ходимое для заполнения камеры сгорания топливной смесью в оптимальной пропорции по содержанию воздуха и природного газа, после чего клапаны 10 и 11 закрываются и включаются электросвечи 37, используемые для воспламенения топливной смеси в камере сгорания. Управление работой клапанов 10, 11, 17 и свечей электрозажигания

37 производится с помощью компьютера пульта управления, установленного на буровой платформе. При.этом темп работы молота,13 может изменяться в широких пределах путем задержки подачи электраимпульса из компьютера на электросвечи 37 для воспламенения топливной смеси в камере сгорания 12. а также изменением давления. воздуха и природного газа, поступающих в камеру 12.

Величина углубления скважины за один удар молота 13 по ударнику 24 определяется смещением его вниз, изображенное на фиг.16 по сравнению с фиг.1а. На эту >ке величину смещается корпус 1, а вместе с ним и все обсадные трубы 2, что отображено на фиг.1в при трансформации ее в фиг.1а, в результате опускания корпуса r до касания упора 14 молота 13. Очевидно, что чем твер>ке гоунт, пробиваемый ударником 24, тем меньше продвиг ударника 24 вследствие удара по.нему молота 13. Для преодоления особо твердых пород в ударнике запрессован боек 30, выполненный из сплавов большой твердости и прочности при ударных нагрузках.

При опускании кронштейна 44 до пола платформы 43 подача электроимпульсов на свечи зажигания 37 прекращается по сигналу электродатчика 47, вмонтированного в нижнюю плоскость кронштейна 44, который фиксирует касание пола платформы 43 и отключает компыатер от источника тока. После эрго кронштейн 44 с шайбами 45 снимается с обсадной трубы 2, Краны 49 и 50 соответственно на трубах 34 и 35 (подачи воздуха и природного газа) закрываются, от труб 34 и 35 отсоединяют шланги, идущие к компрессорам, и к трубам 34 и 35 привертывают следующие отрезки этих труб с закрытыми кранами 49 и 50 на их верхних концах, При этом труба 34 должна быть продета в тоубу 3, а труба 3 и труба 35 — в обсадную трубу 2. Отрезки труб 2 и 3 подняты над концами этих труб, находящихся в скважине с просветом, через который открывают краны 49 и 50 на верхних концах труб 34 и 35, опущенных в сква>кины, После этого опускают и привинчивают вначале отрезок трубы

3, а затем отрезок трубы 2. Далее на трубе

2 устанавливают кронштейн 44 с металлическими или железобетонными шайбами 45, имеющими радиальный паз шириной, превышающей диаметр цилиндрической части кронштейна 44. К трубам 34 и 35 подсоединяют шланги от компрессоров для с катого воздуха и природного газа, включают эти компрессоры и открывают краны 49 и 50, вкЛючают управляющий компьютер в цепь источника электротока.

Эффективность применения предлагаемого устройства в большой степени зависит от механических характеристик горных пород через которые необходимо пробить скважину, Наиболее благоприятными для применения ударного устройства будут осадочные породы, пластичные и допускающие уплотнение от ударного воздействия. Наименее благоприятными являются твердые скальные монолитные образования, которые следует проходить с помощью известных буровых установок способом сверления, Однако при благоприятных геологических условиях применение ударного устройства дает возможность получить многократную экономию материальных затрат на прокладку скважин и большой выигрыш во времени, необходимым,на сооружение скважины.

Для ориентировочного расчета эффективности применения предлагаемого устройства прием, что это устройство используется для проходки взрывных скважин способом Кашеварова добычи нефти, например в Тюменской области при благоприятных геологических условиях, ПриМем также, что диаметр обсадных труб 2 будет равен 500 мм и длина молота 13 равна 2 м, тогда его масса будет равна 3 т, а камера сгорания будет иметь объем равный 0,005 м .

При давлении в 50 кг/см в камере сгорания будет находиться 0,02 кг природного газа и

0,3 кг воздуха. До момента воспламенения топливной смеси давление в камере сгорания 12 и вес молота 13 уравновешивались давлением сжатого воздуха в камерах 22 и

25, при этом молот 13 был неподви>кен. Корпус 1 с обсадными трубами 2, заполненными водой и грузом 45 на них, имеют массу более 100 т и может смещаться вниз после удара молота 13 по ударнику 24 под действием силы тяжести 100-тонной нагрузки

В моменE воспламенения топливной смеси в камере 12 давление продуктов горения увеличивается до 400 кг/см и составляет силу давления на верхний торец молота, равную 240 т, Под воздействием этол силы молот 13 приобретает кинетическую энергию, которую передает ударнику 24 в результате удара по нему. При этом, если перемещение молота 13 будет в 10 раз больше, чем перемещение ударника 24 в резуль2004755

10 (56) Авторское свидетельство СССР

N 759695, кл. Е 21 В 7/14, 1978.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 2. Устройство по п,1, отличающееся

1, Ударное устройства для проходки тем, что УстРойство выполнено с Размескважин, включающее связанный с колон- 30.щенными в веРхней части коРпУса водЯнойобсадныхтруб корпус.располохенный ным насоса 1 и емкостями со сжать соосно в "полости корпуса, имеющий осе воздухом и топливом, которые сообщены с вой цилиндрический канал, ударник, шток размещенными в средней части корпуса которого установлен с возможностью осе- кольцевыми емкостями для сжатого воздувого перемещения в вертикальном пазу 35, ха и топлива, котоРые, в свою очеРедь, свЯкорпуса, размещенную концентрично от- заны с камеРой СгораниЯ посРедством носительно штока пружину камеру сгора каналов с клапанами, при этом в центральния. с системоЙ подачи и воспламенения НОЙ части корпуса выполнена расточка. в топлива. Рабочий инструмент и систему уп- которо" Установлена охватывающа ш становлена охватывающая шток равления, отличающееся тем, что устройство снабжено установленной коаксиально да ника посредством выполобсадной колонне и связанной с корпуса, ненной на последнем головки, а камера двойной колонной труб для пода,и по, сгоРаниЯ свЯзана с межтРУбным пространвнутренней трубе сжатого воздуха и отво- ством двойной колонны тРУб f1ocpeAcTeoM да выхлопных газов из камеры сгорания pq проходящих через корпус выхлопн труб каналу, образованному стенками двойнои 3. Устройство по п.1, отличающееся колонны труб, при этом система воспламе-: -тем, что камера сгорания имеет кольцевую ,нения выполнена электрической от источ форму и ограничена торцевыми поверхноника электропитания, а камера cropaHMR стями корпуса и ударника, а ее боковые образована между корпусом и обраще„ной - .стенки образованы выполненным на торце последнему торцевой поверхностью корпуса, обращенном к камере сгорания, ударника, причем между буровым инстру кольцевым упором и охватывающим поУдарником образована камера следний патрубком, выполненным на торпеременногообъемадля взводаударника 55 це ударника, при этом камера сгорания путем подачи в последнюю сжатого возду- имеет форсунки для впрыскивания в ее поха посредством осевого цилиндрического лость воды с канала в ударнике и размещенного в ука- 4. Устройство по п.1, отличающееся эанном канале клапана одностороннего тем, что буровой инструмент выполнен в действия. виде долота с рабочей конусообразной потате удара молота по нему, то максимальное давление ударника на грунт будет в 10 раз больше; чем продуктов горения топливной смеси на молот, т.е. может дойти до 2400 т

- или 4000 кг/см . Такое давление ударника 5

24 на грунт будет в 50-100 раз больше изостатического давления верхних слоев земли на этот грунт и позволит ударнику 24 продвинуться в грунте уплотняя его по цилиндрической поверхности пробиваемой 10 скважины.

В более плотном грунте продвиг ударника будет меньше, зато максимальное давление на грунт ударникФ 24 во время удара по нему молота 13 будет тем больше, чем 15 меньше будет продвиг ударника.

Примем, что в среднем при длине хода молота 25 см длина хода ударника 24 под воздействием удара молота будет 2,5 см. 20

При этом частота ударов будет равна 10 в 1 мин. Тогда за 1 мин ударник будет проходить 0;25 м, за час — 15 м, а сутки — 300 м, принимая, что 4 ч в сутки будет затрачиваться на наращивание отрезков обсадных труб. 25

Такая скорость проходки скважин в десятки раз превосходит скорость проходки .скважин с помощью известных буровых устройств. Для обеспечения работы камеры сгорания 12 потребуется за 20 ч ее работы

240 кг природного газа, а с учетом затрат природного газа для работы компрессоров можно принять суточную затрату природНого газа, равной 300 кг или 1 кг природного газа на проходку 1 м скважины диаметром в

0,5 м, Учитывая малую стоимость природно- го(нефтяного) газа на нефтепромыслах, стоимость затрачиваемой энергии для прохсщки 1 м скважины предлагаемым устройством будет во много раз меньше, чем при использовании известных буров.

Уменьшатся также затраты и на содержание рабочей бригады, т.к. в несколько раз возрастет производительность труда рабочих, исчисляемая стоимостью прокпадки 1 м скважины. Труд рабочих станет более высокооплачиваемым и менее тяжелым, 2004755

Ig

1В верхностью, армированной заостренной пластинкой твердого сплава.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера переменного объема образована между цилиндрическим углублением, выполненнь:.. на обращенной к долоту торцевой поверхности ударника, и ответным этому углублению цилиндрическим выступом, который образован, в свою очередь, посредством кольцевой расточки на торцевой поверхности долота, при этом цилиндрический выступ долота установлен с возможностью осевого перемещения в ,указанном углублении ударника, который имеет возможность коаксиального переме щения в кольцевой расточке долота, обраЗующей кольцевую камеру, связанную с камерой переменного объема посредством зазоров между цилиндрическим выступом долота и цилиндрическим углублением в ударнике.

6. Устройство по п,1, отличающееся тем, что система управления имеет электродатчик, установленный на торцевой поверхности корпуса в камере сгорания для фиксации касания корпуса торцевой по5 верхностью ударника в завершающей стадии взвода последнего.

7. Устройство по п,1, отличающееся тем, что пространство между обсадной колонной и внешней трубой двойной колон1ð ны труб заполнено водой, при этом в указанном пространстве размещены электрокабель системы воспламенения и труба для подачи топлива в камеру сгорания, причем в качестве топлива использован

15 природный гаэ.

8. Устройство по пп. 1 - 7, отличающееся тем, что каждый иэ отрезков труб составляющих магистрали для подачи сжатого воздуха и топлива имеет средства для перекрытия полостей указанных магистралей.

2004755

b-Е 4Р М ФФ и z

О2

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3388

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель Кашеваров

Редактор. Е.Полионова Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор M,Càìáoðcêàÿ