Способ ударно-вращательного бурения скважин и устройство для его осуществления
Изобретение относится к бурению скважин любого назначения, а также к устройствам для вращательного метода бурения с использованием ударно-волновых и гидроимпульсных процессов, необходимых для интенсификации бурения скважин любой глубины и диаметра. Цель изобретения - повышение величины и скорости проходки за счет утилизации на забое энергии вертикальных возвратно-поступательных перемещений долота, предохранения разрушения бурильной колонны и обеспечения формирования вертикального ствола скважины. Для этого устройство содержит верхний 1 и нижний 2 шпиндели, корпус 3 с верхним 4 и нижним 5 водилами, навернутыми на корпус 3. Внутри корпуса 3 подвижно установлен боек 6, центрируемый в корпусе 3 шариковыми направляющими 7. Внутренняя полость верхнего 4 и нижнего 5 водил и соответствующие наружные поверхности шпинделей 1 и 2 выполнены сопрягающимися между собой с возможностью передачи крутящего момента и осевого относительного перемещения, в данной конструкции, например, в виде многогранников. Боек 6 может быть выполнен также, например, в виде многогранников. Боек 6 может быть выполнен также, например, в виде двух коаксиальных цилиндров 8 и 9 с шариковыми направляющими 10 между ними. Способ осуществляется следующим образом. Вращение бурильной колонны (при роторном бурении) или вала забойного двигателя передается через шпиндель 1 водилу 4, корпусу 3 и водилу 5, а через него шпинделю 2 и присоединенному к нему долоту, которое, перекатываясь по забою, совершает вертикальные возвратно-поступательные движения, передаваемые через шпиндель 2 свободно стоящим на нем бойку 6 и корпусу 3 с водилами 5 и 4 и шпинделю 1 с разгруженной на него частью бурильной колонны. Из-за различного веса названных свободных элементов (шпинделя 2, корпуса 3 с водилами 4 и 5, бойка 6) они начинают двигаться вверх с различной частотой и амплитудой, а возвращаясь, наносят удары по рабочим поверхностям шпинделя 2, а следовательно, по жестко связанному с ним долоту. При этом в процессе углубления скважины путем вращения шарошечного долота с одновременным наложением на него статической нагрузки и наложением ударной нагрузки при помощи забойного ударника, величину статической нагрузки при заданном числе оборотов долота поддерживают равной величине, не превышающей величины, соответствующей четырем весам подвижных частей забойного ударника. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к бурению скважин любого назначения, а именно к устройствам для вращательного метода бурения с использованием ударно-волновых и гидроимпульсных процессов, необходимых для интенсификации бурения скважин любой глубины и диаметра. Известен способ ударно-вращательного бурения скважин, заключающийся в углублении скважины путем вращения долота и наложения на него статической и ударной нагрузкой. В основе способа лежит принудительное вращение долота посредством вращения с поверхности связанной с ним бурильной колонны и генерирования периодических ударных нагрузок, подводимых к долоту различными способами, в том числе и при помощи колеблющегося груза (бойка), установленного над долотом [1] . При этом нагрузка на долото задается весом сжатой части бурильной колонны.
Известно устройство для бурения скважин, включающее долото, бурильную колонну, утяжелитель, установленный над долотом с возможностью вертикальных осевых перемещений относительно бурильной колонны, и узел осевого разъединения долота и бурильной колонны, соединенный с наддолотным переводником. Недостатком известного способа является то, что статическая нагрузка на долото создается генератором ударных нагрузок и частью веса бурильной колонны, а динамическая нагрузка - независимо от величины статической нагрузки. Недостатком известного устройства является то, что утяжелитель охватывает бурильную колонну (расположен снаружи), что вызывает необходимость введения специального узла для передачи на утяжелитель крутящего момента, и есть возможность зависания, а следовательно, и отказа в работе утяжелителя в верхнем и любом промежуточном положении как в процессе работы, так и при спуске в скважину за счет контакта со стенкой скважины из-за забивания шламом зазора между утяжелителем и бурильной колонной, а также искривления бурильной колонны малой жесткости. Известен также способ ударно-вращательного бурения скважин, включающий углубление скважины путем вращения шарошечного долота с одновременным наложением на него статической нагрузки и наложением ударной нагрузки при помощи забойного ударника. При этом статическая нагрузка задается сжатой частью бурильной колонны, а динамическая нагрузка - единой ударной массой. Известно устройство для ударно-вращательного бурения скважин, которое содержит корпус, боек, размещенный в полости корпуса и установленный над долотом с возможностью вертикальных перемещений по направляющим, и узел осевого разъединения бурильной колонны, установленный под бойком и выполненный в виде шпинделя и водила; сопрягающихся между собой с возможностью передачи крутящего момента осевого относительного перемещения Недостатком известного способа бурения является то, что нагружение долота статической нагрузкой производится частью веса бурильной колонны, расположенной над генератором ударных нагрузок, а динамическая нагрузка на долото не может регулироваться заданием на долото нагрузки статической: это нагрузка зависит от расхода и давления промывочной жидкости и не зависит от реакции породы забоя. Недостатком известного устройства является также возбуждение вредных ударных механических нагрузок, передаваемых бурильной колонне при движении бойка вверх под действием перепада давлений, и распространение гидравлических ударных волн по колонне и затрубному пространству, вызываемых периодическим перекрытием потока промывочной жидкости колеблющимся бойком. Целью изобретения является повышение эффективности бурения путем повышения проходки на долото и механической скорости бурения за счет утилизации на забое энергии вертикальных возвратно-поступательных перемещений долота, предохранения от разрушения бурильной колонны и обеспечения формирования вертикального ствола скважины. Достигается это тем, что в способе ударно-вращательного бурения скважин, включающем углубление скважины путем вращения шарошечного долота с одновременным наложением на него статической нагрузки и наложением ударной нагрузки при помощи забойного ударника, в процессе углубления скважины величину статической нагрузки при заданном числе оборотов долота поддерживают равной величине, не превышающей величины, соответствующей четырем весам подвижных частей забойного ударника. Достигается это также тем, что забойный ударник для ударно-вращательного бурения скважин, включающий корпус, боек, размещенный в полости корпуса и установленный над долотом с возможностью вертикальных перемещений по направляющим, и узел осевого разъединения бурильной колонны, установленный под бойком и выполненный в виде шпинделя и водила, сопрягающихся между собой с возможностью передачи крутящего момента и осевого относительного перемещения, снабжен дополнительным узлом осевого разъединения идентичным основному узлу осевого разъединения и установленным над корпусом. В предпочтительном варианте боек выполнен в виде двух коаксиальных цилиндров с шариковыми направляющими между ними. Именно наличие двух узлов осевого разъединения бурильной колонны, установленных под бойком и, тем самым над долотом и над корпусом забойного ударника обеспечивает воздействие на долото нескольких ударных масс, имеющих различную величину. Нагружение долота на забой после задания ему вращения и осуществления промывки производят так, чтобы суммарная нагрузка (статическая нагрузка и энергия удара падающих масс устройства) не превышала прочностных характеристик долота; так, для устройства типичных геометрических размеров (длина корпуса 6-8 м, длина бойка - 4-6 м, наружный диаметр корпуса соответствует диаметру применяемого долота) это возможно осуществить, если статическая нагрузка на долото (включая массу устройства, а при необходимости и часть УБТ) не будет превышать величины, равной 4-кратному весу подвижных элементов (корпуса и бойков) устройства. На фиг. 1 изображен общий вид ударника; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - предпочтительный вариант выполнения. Буровой снаряд содержит верхний 1 и нижний 2 шпиндели, корпус 3 с верхним 4 и нижним 5 водилами, навернутыми на корпус 3, внутри которого подвижно установлен боек 6, центрируемый в корпусе 3 шариковыми направляющими 7. Внутренняя полость верхнего 4 и нижнего 5 водил и соответствующие наружные поверхности шпинделей 1 и 2 выполнены сопрягающимися между собой с возможностью передачи крутящего момента и осевого относительного перемещения, например в данной конструкции в виде многогранников. К верхнему шпинделю 1 присоединяется бурильная колонна (не показана), а к нижнему шпинделю 2 - долото (не показано). Нижний шпиндель 2 и нижнее водило 5 образуют основной узел соевого разъединения бурильной колонны, установленный под бойком, и тем самым над долотом, а верхний шпиндель 1 и верхнее водило 4 образуют дополнительный узел осевого разъединения, идентичный основному узлу осевого перемещения и установленный над корпусом 3. Боек 6 может быть выполнен также, например, в виде двух коаксиальных цилиндров 8 и 9 с шариковыми направляющими 10 между ними (фиг. 4). Устройство работает следующим образом. Вращение бурильной колонны (при роторном бурении) или вала забойного двигателя (при бурении при помощи забойного двигателя) передается через шпиндель 1 водилу 4, корпусу 3 и водилу 5, а через него - шпинделю 2 и присоединенному к нему долоту. Долото, перекатываясь по забою, совершает вертикальные возвратно-поступательные движения, передаваемые через шпиндель 2 свободно стоящим на нем бойку 6 и корпусу 3 с водилами 5 и 4 и шпинделю 1 с разгруженной на него частью бурильной колонны. Из-за различного веса названных свободных элементов (шпинделя 2, корпуса 3 с водилами 4 и 5, бойка 6) они начинают двигаться вверх с различной частотой и амплитудой, а возвращаясь, наносят удары по рабочим поверхностям шпинделя 2, а следовательно, по жестко связанному с ним долоту. Расширению диапазона прикладываемых к долоту динамических нагрузок как по частоте и амплитуде, так и по величине способствует выполнение бойка в виде, например, двух коаксиальных цилиндров 8 и 9. Бурение скважины при помощи устройства происходит следующим образом. Устройство соединяют с долотом и колонной бурильных труб или с забойным двигателем и колонной бурильный труб; возможен также вариант установки устройства над забойным двигателем; подводят долото к забою и подают к нему через колонну и устройство промывочную жидкость. Статическая нагрузка на долото задается весом шпинделя 2, корпуса 3 с водилами 4 и 5, бойка 6 (или цилиндров 8 и 9); к этой нагрузке можно добавить вес шпинделя 1 и вес части присоединенной к нему бурильной колонны, не превышающий 3-кратного веса подвижных частей устройства. Вращение колонны бурильных труб с присоединенным к ней устройством осуществляется при помощи ротора или установленного над устройством забойного двигателя и передается долоту через шпиндель 1, водило 4, корпус 3, водило 5 и шпиндель 2. Положительный эффект от применения предлагаемого устройства заключается в повышении долговечности долота, бурильной колонны, ее привода и другого наземного оборудования за счет недопущения или значительного уменьшения распространения колебаний, генерируемых долотом; в существенном повышении скорости проходки, особенно в породах твердых и крепких, за счет упорядочения работы долота на забое и утилизации энергии вертикальных его перемещений, связанных с перекатыванием шарошек по забою; в возможности бурения вертикальных стволов скважин, обеспечивающих уменьшение трудоемкости и аварийности работ как по проходке ствола скважины, так и по спуску в нее обсадных колонн и при других работах в скважине. (56) Авторское свидетельство СССР N 1639116, кл. E 21 B 7/00, 1990. Авторское свидетельство СССР N 848556, кл. E 21 B 4/14, 1971.Формула изобретения
1. Способ ударно-вращательного бурения скважин, включающий углубление скважины путем вращения шарошечного долота с одновременным наложением на него статической нагрузки и наложением ударной нагрузки при помощи забойного ударника, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности бурения путем повышения проходки на долото и механической скорости бурения за счет утилизации на забое энергии вертикальных возвратно-поступательных перемещений долота, предохранения от разрушения бурильной колонны и обеспечения формирования вертикального ствола скважины, в процессе углубления скважины величину статической нагрузки при заданном числе оборотов долота поддерживают равной величине, не превышающей величину, соответствующую четырем весам подвижных частей забойного ударника. 2. Забойный ударник для ударно-вращательного бурения скважин, включающий корпус, боек, размещенный в полости корпуса и установленный над долотом с возможностью вертикальных перемещений по направляющим, и узел осевого разъединения бурильной колонны, установленный под бойком и выполненный в виде шпинделя и водила, сопрягающихся между собой с возможностью передачи крутящего момента и осевого относительного перемещения, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным узлом осевого разъединения, идентичным основному узлу осевого разъединения и установленным над корпусом. 3. Ударник по п. 2, отличающийся тем, что боек выполнен в виде двух коаксиальных цилиндров с шариковыми направляющими между ними.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
