Устройство для бурения

 

Изобретение относится к установкам для бурения. Задачей изобретения является снижение массивности конструкции. Устройство для бурения содержит буровую установку, погружаемую в разрабатываемую скважину, содержащую обсадную трубу, внутри которой по меньшей мере во время бурения находится буровой агрегат. Буровая головка бурового агрегата содержит по меньшей мере первые буровые средства для бурения центра скважины и вторые буровые средства для расширения центра скважины для ввода обсадной трубы, а также вымывающие средства для удаления разбуренного грунта из скважины. Вращательное движение вокруг продольной оси и ударное воздействие в продольном направлении от первых буровых средств передается с помощью соединительного устройства ко вторым буровым средствам, соединенным с возможностью их привода с первыми буровыми средствами рядом с буровой головкой бурового агрегата. Вторые буровые средства выполнены так, что они возвращаются вместе с головной частью обсадной трубы вокруг центральной продольной оси с помощью соединительного устройства, и, кроме того, они имеют возможность отсоединения от вторых буровых средств для извлечения первых буровых средств из готовой скважины. Для оптимизации по меньшей мере размера первых буровых средств эффективный диаметр первых буровых средств составляет по меньшей мере 60%, а в предпочтительном варианте - более 75% от внутреннего диаметра обсадной трубы. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к устройству для бурения, содержащему буровую установку, погружаемую в разрабатываемую скважину и выполненную предпочтительно удлиненной формы в продольном направлении. Буровая установка содержит обсадную трубу, по существу внутри которой по меньшей мере во время бурения находится буровой агрегат с буровой головкой, содержащей по меньшей мере первые буровые средства для бурения центра скважины и вторые буровые средства для расширения скважины для ввода обсадной трубы, а также вымывающие средства для удаления грунта из скважины. По меньшей мере во время бурения вращательное движение вокруг продольной оси и ударное воздействие в продольном направлении от первых буровых средств передается с помощью соединительного устройства ко вторым буровым средствам. Вторые буровые средства выполнены так, что благодаря наличию соединительного устройства они вращаются вместе с головной частью обсадной трубы вокруг центральной продольной оси. Первые буровые средства выполнены с возможностью отсоединения от вторых буровых средств для извлечения первых буровых средств из готовой скважины, при этом по меньшей мере вторые буровые средства оставляют на дне скважины. В буровой установке имеются по меньшей мере первые рабочие органы вымывающих средств для направления вымывающей среды к точке бурения через поверхность бурения первых буровых средств посредством одного, а предпочтительно нескольких эксцентрично расположенных каналов для жидкости, вторые рабочие органы вымывающих средств для откачивания размытого грунта и направления его по меньшей мере частично внутри обсадной трубы.

Уровень техники В патентах Великобритании No. GB-959955 и No. GB-1068638 предложены устройства для бурения, аналогичные вышеописанному. Указанные устройства содержат внутренние буровые средства, иными словами - центральный бур для бурения центральной части скважины, и наружные буровые средства, расположенные симметрично относительно продольной оси бура, при этом наружные буровые средства вместе с обсадной трубой после завершения бурения могут быть оставлены в скважине. В такой конструкции благодаря вращательному движению вокруг центра наружных буровых средств или расширяющего бура риск поломки бурового оборудования довольно мал, особенно по сравнению с известными широко применяемыми буровым установками с эксцентричными расширяющими бурами.

Расширяющий бур согласно решению, предложенному в патенте Великобритании No. GB 959955, соприкасается с внутренней поверхностью головной части обсадной трубы. При этом эффективный диаметр центрального бура уменьшен также из-за наличия элементов устройств поворотной фиксации передачи ударного воздействия между центральным буром и расширяющим буром. В указанной публикации предложены два различных решения, в первом из которых в качестве устройств поворотной фиксации между буровыми средствами было использовано устройство с защелками, а во втором - байонетное соединение. Соответственно поверхности устройства передачи ударного воздействия содержат сопряженную пару выступ-проточка между расширяющим буром и центральным буром на передней кромке указанного устройства поворотной фиксации. В вышеописанной установке обсадная труба углубляется в скважину от воздействия центрального бура, при этом движение подачи передается с помощью соединительного устройства через расширяющий бур, а от него - к обсадной трубе. Таким образом, практически возможна передача ударного воздействия от центрального бура по меньшей мере частично непосредственно обсадной трубе.

В патенте Великобритании No. GB 1068638 предложено решение, в котором расширяющий бур расположен встык с головной частью обсадной трубы. Известная конструкция содержит муфту, закрепленную в расширяющем буре, находящемся в контакте внутренней поверхностью головной части обсадной трубы.

Элементы указанной головной части и муфты образуют сопряженную пару выступ-проточка, обеспечивающую фиксацию муфты от перемещения в продольном направлении, но не препятствующую ее свободному вращению относительно обсадной трубы. Данная конструкция содержит дополнительный блок, соединенный со штангой центрального бура и передающий вращательное движение и ударное воздействие от центрального бура к расширяющему буру через указанную муфту.

Для описанных выше решений общим являются относительно небольшие размеры эффективного диаметра центрального бура, примерно 50% от внутреннего диаметра обсадной трубы.

Естественно, вследствие этого необходимо применять чрезмерно массивные буровые штанги, что, разумеется, приводит к удорожанию вышеописанного бурового оборудования. Кроме того, массивность конструкции вызывает трудности при обращении с таким буровым оборудованием, и при этом оно занимает большой объем. Именно поэтому вышеописанные решения не слишком часто применяются на практике, хотя вращающийся вокруг своей центральной оси расширяющий бур имеет много значительных преимуществ, особенно по сравнению с так называемыми эксцентричными расширяющими бурами.

Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является создание устройства для бурения, конструкция которого содержала бы значительные усовершенствования, направленные на решение вышеизложенных проблем. Для решения этой задачи устройство для бурения, выполненное согласно изобретению, в первую очередь отличается тем, что в нем предусмотрены вторые рабочие органы вымывающих средств для откачивания размытого грунта и его подачи, которые снабжены каналами, сообщающимися с поверхностью бурения первых буровых средств.

Наиболее важными преимуществами устройства для бурения согласно изобретению являются конструктивная эксплуатационная простота и надежность. Благодаря вращению вокруг своей центральной оси расширяющего бура при использовании настоящего устройства эксплуатационный объем может быть оптимизирован. Благодаря повышенной прочности конструкции можно дополнительно увеличить полезный срок эксплуатации бурового агрегата по сравнению с известными решениями. Появляется также возможность оптимизации пропорций центрального и расширяющего буров так, что все устройство для бурения в целом и его части легки в обращении и не требуют непропорционально больших эксплуатационных объемов. Однако центральный бур устройств для бурения согласно изобретению может в случае необходимости быть выполнен даже более массивным, чем центральные буры известных конструкций и/или размытый грунт может быть направлен через поверхность бурения центрального бура внутри обсадной трубы. В дополнение в устройстве для бурения, выполненном согласно изобретению, можно простыми средствами соединить расширяющий бур с обсадной трубой так, что не только центральный бур, но и обсадная труба могли б извлекаться из готовой скважины, с оставлением в скважине лишь расширяющего бура.

Предпочтительные варианты выполнения устройства для бурения согласно настоящему изобретению отражены в других зависимых пунктах формулы изобретения.

Перечень фигур чертежей Ниже следует подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: на фиг. 1 изображен продольный разрез буровой головки предпочтительного варианта выполнения устройства для бурения согласно изобретению; на фиг. 2 изображен вид сбоку первой несущей части устройства для бурения, представленного на фиг. 1; на фиг. 3 изображена буровая головка, представленная на фиг. 1, вид спереди.

Устройство для бурения выполнено в виде буровой установки 1, погружаемой в разрабатываемую скважину и выполненной предпочтительно удлиненной формы в направлении центральной продольной оси s. Установка 1 содержит обсадную трубу 2, по существу внутри которой по меньшей мере во время бурения находится буровой агрегат 3.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Буровая головка l бурового агрегата 3 содержит по меньшей мере первые буровые средства 4 для бурения центра R скважины и вторые буровые средства 5 для расширения центра R скважины и для ввода обсадной трубы 2, а также вымывающие средства 6 для удаления разбуренного грунта из скважины. По меньшей мере во время бурения вращательное движение w4 вокруг продольной оси и ударное воздействие t4 в продольном направлении от первых буровых средств 4 передается с помощью разъемного соединительного устройства ко вторым буровым средствам 5, соединенным с первыми буровыми средствами рядом с буровой головкой 1 бурового агрегата 3.

Вторые буровые средства 5 соединены с помощью соединительного устройства L с головной частью l' обсадной трубы 2 с возможностью их совместного вращения вместе вокруг центральной продольной оси s. Кроме того, первые буровые средства 4 выполнены с возможностью отсоединения от вторых буровых средств 5 для извлечения первых буровых средств из готовой скважины, при этом по меньшей мере вторые буровые средства 5 оставляют на дне скважины. Буровая головка снабжена также вымывающими средствами 6 с первыми рабочими органами 6а, выполненными в виде одного, а предпочтительно нескольких эксцентрично расположенных каналов для направления вымывающей жидкости к точке бурения через поверхность бурения первых буровых средств 4, проходящих внутри первых буровых средств до поверхности бурения. Вторые рабочие органы 6 вымывающих средств для откачивания размытого грунта содержат средства для направления его внутрь обсадной трубы 2. Согласно изобретению вторые рабочие органы вымывающих средств снабжены каналами, сообщающимися с поверхностью бурения первых буровых средств 4.

В предпочтительном варианте выполнения для оптимизации по меньшей мере размера первых буровых средств 4 эффективный диаметр первых буровых средств 4 составляет по меньшей мере 60%, а предпочтительно более чем 75% от внутреннего диаметра обсадной трубы.

Как показано на фиг. 1, в предпочтительном варианте выполнения поверхность сопряжения Lp соединительного устройства, соединяющего обсадную трубу со вторыми буровыми средствами 5, выполнена с возможностью охвата головной части l' обсадной трубы 2 снаружи, при этом внутренний размер Ld соединительной поверхности Lp выполнен предпочтительно большим, чем внутренний диаметр 2d обсадной трубы 2.

Как показано на фиг. 1, буровая головка l бурового агрегата 3 содержит по меньшей мере первую несущую часть 4 (центральный бур) и вторую несущую часть 5a (расширяющий бур), причем указанные части содержат обращенные к поверхности бурения рабочие органы 10a и 10b соответственно первых и вторых буровых средств 4, 5, которые в представленном варианте выполнены в виде отдельных буровых коронок. Второй конец l первой несущей части 4a содержит стыковочные элементы 9, 11 для соединения с устройством, создающим ударные воздействия, или с буровой штангой и для подачи по центральному каналу вымывающей жидкости. Для этого второй конец второй несущей части 5a, выполненный с ней заодно, имеет стыковочную поверхность Lp, окружающую головную часть l' обсадной трубы 2, внутренний размер которой Ld в предпочтительном варианте равен наружному диаметру 2D обсадной трубы 2.

Как показано на фиг. 2, на наружной радиальной поверхности первой несущей части 4a и на внутренней поверхности второй несущей части 5a расположены элементы первого узла V1 соединительного устройства, иными словами - по меньшей мере две сопряженные пары элементов типа выступ-проточка 13a, 13b, как это показано на фиг. 1 и 2, с одной стороны, для передачи вращательного движения w4 первой несущей части 4a ко второй несущей части 5a во время бурения, а с другой стороны - для отделения первой несущей части 4a после завершения бурения от второй несущей части 5a за счет смещения сопряженных элементов первого узла в продольном направлении s.

Кроме того, соединительное устройство содержит второй узел V2, образованный двумя сопряженными парами выступов и проточек 7a, 7b, 7a', 7b', для передачи ударного воздействия t4 от первой несущей части 4a ко второй несущей части 5a. Буровые поверхности первой несущей части 4a и второй несущей части 5a расположены по существу в одной плоскости бурения, при этом первая пара элементов 7a, 7b второго узла V2 расположена предпочтительно рядом с указанной плоскостью бурения. Таким образом достигнута оптимальная конструкция буровой головки, в результате чего энергия удара передается насколько возможно близко к поверхности бурения вторых буровых средств 5. С другой стороны, предлагаемое решение позволяет использовать относительно массивную конструкцию первой несущей части 4a, что является преимуществом с точки зрения ресурса устройства.

В представленном варианте первые рабочие органы 6a вымывающих средств 6 для подачи вымывающей жидкости к точке бурения через поверхность бурения первых буровых средств 4 выполнены в виде одного или нескольких (например трех) каналов для жидкости, расположенных внутри первых буровых средств 4 эксцентрично относительно поверхности бурения. При этом поток жидкости подается в эти каналы через центральный канал второго конца II первой несущей части 4a.

Благодаря большой площади поперечного сечения первой несущей части 4a устройства, выполненного согласно изобретению, вторые рабочие органы 6b вымывающих средств 6 для откачивания размытого грунта обеспечивают направление удаляемого грунта внутрь обсадной трубы 2 благодаря тому, что эти органы снабжены каналами, сообщающимися с поверхностью бурения первых буровых средств.

В частности, как показано на фиг. 3, вторые рабочие органы 6b вымывающих средств могут быть выполнены на наружной поверхности первой несущей части 4a в двух, трех или более каналов для жидкости, расположенных симметрично и примерно параллельно продольной оси s между несущими частями 4a, 5.

Таким образом, поверхности элементов второго узла V2, передающие ударное воздействие, уменьшены из-за наличия вторых рабочих органов 6b подачи жидкости для откачивания грунта, при этом в качестве компенсации в конструкцию в предпочтительном варианте добавлена, как уже упоминалось, по меньшей мере одна дополнительная пара сопряженных элементов, смещенных в продольном направлении s относительно первой пары аналогичных элементов.

Как показано на фиг. 1 и 2, указанная вторая пара выступов и проточек 7a', 7b' второго узла V2 частично образована сопряженными выступами и проточками 13a, 13b, относящимися к первому узлу V1 соединительного устройства. При этом на конце стопорящей проточки 13b первого узла V1 выполнен передний угол K, обеспечивающий плотное прижатие стопорящего выступа 13a, как показано на фиг. 2.

В предпочтительном варианте выполнения буровой агрегат 3 предназначен в основном для работы с вращением в направлении w4, при котором первый узел V1 соединительного устройства для фиксации первых и вторых буровых средств 4 и 5 друг относительно друга выполнен по принципу байонетного крепления посредством по меньшей мере двух, но предпочтительно трех сопряженных пар выступ-проточка 13a, 13b. Таким образом, первые буровые средства 4 выполнены с возможностью отделения от вторых буровых средств 5 за счет рассоединения первого узла V1 путем поворота бурового агрегата в противоположном направлении, противоположном относительно первого, рабочего направления w4 с тем, чтобы элементы первого узла V1 могли перемещаться в продольном направлении s, как показано на фиг. 2. При этом, как показано на фиг. 2 и 3, продольные проточки 13b, относящиеся к первому узлу V1 и расположенные на наружных поверхностях первой несущей части 4a, образуют каналы 6b для жидкости, функционирующие как вторые рабочие органы вымывающих средств.

Как показано на фиг. 1, указанные каналы 6b сообщаются с каналами 6a для жидкости первой несущей части посредством каналов 6b', сообщающихся с поверхностью бурения первых буровых средств, т.е. выполненных в поверхности бурения первой несущей части 4a.

Как показано на фиг. 1, в предпочтительном варианте выполнения устройства в нем имеется промежуточный элемент 8, такой как башмак обсадной трубы или подобный элемент, расположенный у головной части l' обсадной трубы 2, с целью усиления указанной головной части l'. Таким образом, для подачи обсадной трубы вглубь скважины предусмотрена пара сопряженных элементов (заплечиков) типа выступ-проточка 14a, 14b, работающих как третий узел V3 соединительного устройства для соединения первой несущей части 4a первых буровых средств 4 и промежуточного элемента 8.

В предпочтительном варианте выполнения для соединения друг с другом второй несущей части 5a вторых буровых средств 4 и башмака 8 у головной части обсадной трубы 2 предусмотрен четвертый узел V4 соединительного устройства, образованный поверхностями сопряженных элементов 15a, 15b типа выступ-проточка таким образом, чтобы обеспечивать свободное вращение и ограничивать продольное перемещение указанных элементов друг относительно друга.

Описанные выше конструктивные решения вносят дополнительные усовершенствования в работу устройства для бурения, в результате чего усилие со стороны центрального бура 4a, перемещающее вглубь скважины обсадную трубу 2, воздействует на ее головную часть непосредственно, а не через расширяющий бур 5a, как это происходит, например, в известных устройствах. Это даже делает возможным осуществление разъемного соединения башмака 8 обсадной трубы и расширяющего бура 5a, в результате чего на дне готовой скважины можно оставлять только расширяющий бур. В предлагаемом решении это может быть достигнуто с помощью сопряженных выступов 15a, упруго соединенных с расширяющим буром. Разумеется, указанный выступ 15a расширяющего бура может быть выполнен сплошным, с разрушением его при приложении определенного усилия.

При практических испытаниях было также найдено предпочтительным использовать специальную обработку поверхностей контакта соединительного устройства, такую как нанесение покрытия или поверхностная закалка. Очевидно, что изобретение не ограничивается вышеописанным вариантом выполнения, а может быть модифицировано в широких пределах в рамках основной идеи. Так, например, можно применить в буровой головке большее количество несущих частей, чем описан выше, где, например, буровые коронки могут быть соединены с головкой первой несущей части в единый режущий блок. Вместо них могут быть и отдельные буровые долота и т.д.

Естественно, не обязательно использовать отдельную промежуточную часть, содержащуюся в представленных вариантах выполнения, элементы того же назначения могут быть выполнены на внутренней и/или наружной поверхностях головной части обсадной трубы. Кроме того, промежуточная часть в представленном варианте может быть выполнена с возможностью поворота относительно второй несущей части и по меньшей мере частичного ограничения их взаимного продольного перемещения так, что промежуточная часть будет находиться в контакте с направляющей поверхностью второй несущей части, которая изнутри касается обсадной трубы, в результате чего вторая несущая часть дополнительно через промежуточный элемент взаимодействует с направляющей поверхностью первой несущей части.

Безусловно, соединительные устройства между буровыми средствами, а также между ними и обсадной трубой могут быть выполнены совершенно иным образом. Так, первая и вторая несущие части могут быть соединены друг с другом, например, резьбовым соединением, причем затяжка соединения между частями достигается с помощью механических, гидравлических и/или электрических устройств. Естественно, части могут быть связаны между собой, например, только с помощью резьбового соединения, однако такое решение может вызвать проблемы в разделении частей друг от друга, потому что во время бурения они будут, вероятно, слишком плотно притянуты друг к другу. Несущие части могут быть соединены также способами "быстрого" соединения с помощью зубьев, выполненных на обеих частях и входящих в контакт друг с другом в продольном направлении. В этом случае, однако, невозможно простыми средствами достичь реального закрепления в продольном направлении несущих частей между собой. При этом имеется, например, риск, что в определенной эксплуатационной ситуации несущие части могут самопроизвольно разделиться, в результате чего потребуются дополнительные мероприятия для соединения их снова. Кроме того, нет полной ясности в работе такой конструкции во всех эксплуатационных ситуациях. При достаточно долгом нахождении несущих частей в контакте, с одной стороны, ухудшаются результаты бурения, потому что центральный бур не проходит достаточно далеко, а с другой стороны, зубчатое соединение между несущими частями может выйти из строя в результате поломки.

Разумеется, вторые буровые средства могут быть соединены только с первыми буровыми средствами, в этом случае, однако, существует риск, что вторые буровые средства попадут в нештатное положение на дне скважины, при этом первые буровые средства необходимо удалить из скважины, что сделает невозможным завершение изготовления скважины.

В устройстве, выполненном согласно изобретению, могут быть использованы части, изготовленные из обычных материалов, с применением различных способов изготовления.

В дополнение, например, в качестве рабочего движения при бурении для предлагаемого устройства может быть использовано колебательно-вращательное движение.

Формула изобретения

1. Устройство для бурения в виде погружаемой в разрабатываемую скважину буровой установки, содержащей обсадную трубу, параллельную центральной продольной оси установки, и расположенный во время бурения внутри обсадной трубы буровой агрегат с буровой головкой, снабженной первыми буровыми средствами для бурения центра скважины, вторыми буровыми средствами для расширения центра скважины, установленными с возможностью вращения вместе с головной частью обсадной трубы вокруг центральной продольной оси и соединенными с первыми буровыми средствами посредством разъемного соединительного устройства, выполненного с возможностью вращения вокруг центральной продольной оси установки и ударного воздействия в продольном направлении от первых ко вторым буровым средствам, а также вымывающими средствами для удаления разбуренного грунта из скважины, первые рабочие органы которых выполнены в виде одного или нескольких эксцентрично расположенных каналов для направления вымывающей жидкости к точке бурения внутри первых буровых средств до поверхности бурения, а вторые рабочие органы которых, предназначенные для откачивания размытого грунта, содержат средства для направления грунта внутрь обсадной трубы, отличающееся тем, что вторые рабочие органы вымывающих средств снабжены каналами, сообщающимися с поверхностью бурения первых буровых средств.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что буровая головка бурового агрегата содержит первую несущую часть и вторую несущую часть с обращенными к поверхности бурения рабочими органами первых и вторых буровых средств, при этом у второго конца первой несущей части имеются стыковочные элементы для соединения с устройством, создающим ударные воздействия, или с буровой штангой и для подачи по центральному каналу вымывающей жидкости, а на наружной радиальной поверхности первой несущей части и на внутренней поверхности второй несущей части расположены элементы первого узла соединительного устройства для передачи вращательного движения от первой несущей части ко второй несущей части и для отделения после завершения бурения первой несущей части от второй несущей части в продольном направлении, и элементы второго узла для передачи ударного воздействия от первой несущей части ко второй несущей части поверхности бурения первой несущей части и второй несущей части расположены в одной плоскости бурения, вторые рабочие органы вымывающих средств выполнены с возможностью направления размытого грунта между обеими несущими частями симметрично центральной продольной оси посредством, по меньшей мере, двух каналов, выполненных в продольном направлении на наружной поверхности первой несущей части.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первый узел соединительного устройства выполнен по принципу байонетного крепления и содержит две сопряженные пары выступов и проточек, выполненных с возможностью рассоединения путем поворота бурового агрегата в направлении, противоположном направлению его вращения при бурении, и взаимного смещения сопряженных выступов и проточек в продольном направлении, а каналы вторых рабочих органов вымывающих средств образованы продольными проточками первого узла соединительного устройства, расположенными на наружной поверхности первой несущей части.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что второй узел соединительного устройства содержит две пары сопряженных выступов и проточек, взаимно смещенных в продольном направлении.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что вторая пара сопряженных выступов и проточек второго узла соединительного устройства частично образована поверхностями пары сопряженных выступов и проточек первого узла этого устройства.

6. Устройство по любому из пп. 3-5, отличающееся тем, что на конце стопорящей проточки первого узла соединительного устройства выполнен передний угол K для обеспечения возможности плотного прижатия стопорящего выступа этого узла к задней кромке указанной проточки.

7. Устройство по любому из пп. 2-6, отличающееся тем, что оно содержит промежуточный элемент, например башмак обсадной трубы, расположенный у головной части этой трубы для усиления этой части, и третий узел соединительного устройства в виде пары сопряженных элементов типа выступ-проточка для соединения первых буровых средств с промежуточным элементом.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что оно содержит четвертый узел соединительного устройства в виде пары сопряженных элементов типа выступ-проточка для соединения вторых буровых средств и головной части обсадной трубы без ограничения их свободного вращения, но с ограничением взаимного продольного перемещения указанных элементов.

Приоритет по пунктам: 03.12.92 по пп. 1-3 и 8;
05.07.93 по пп. 4-7.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3