Буровая установка

 

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к устройствам для регулирования осевой нагрузки на буровой инструмент в процессе бурения. Сущность изобретения заключается в том, что буровая установка снабжена электроконтактным манометром, пневмоцилиндром, усилителем тормоза лебедки, сообщенным дополнительно с источником сжатого воздуха через электроуправляемый пневмоклапан-дроссель, электрически соединенный через контактную группу электроконтактного манометра с источником электроэнергии, а электроконтактный манометр гидравлически соединен с индикатором веса бурового инструмента. Изобретение обеспечивает увеличение производительности за счет автоматической подачи инструмента на забой с поддержанием заданной осевой нагрузки. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам (точнее - к комплексам) для бурения, преимущественно глубоких скважин, при котором осевую нагрузку на долото (породоразрушающий инструмент) создают частью веса бурильной колонны, в привод - вращатель долота может быть как наземным, так и внутрискважинным (забойным).

Общеизвестна конструкция буровой установки, описанная в [1], для проходки стволов и строительства глубоких скважин, представляющая собой комплекс агрегатов, машин, механизмов (приспособлений) и узлов, наиболее значимые из которых - вышка, лебедка, талевая система (кронблок, канат, талевый блок), силовой привод узлов и механизмов (в виде или ДВС, или электродвигателя, или газотурбинной установки), а также источники вспомогательных видов энергии: гидравлической, энергии сжатого воздуха, электроэнергии, тепловой энергии (при отрицательных температурах окружающего воздуха). Установка может и должна быть оснащена, дополнительно, контрольно-измерительными средствами и средствами, обеспечивающими как безопасность персонала, так и защиту от возникновения аварийных ситуации, например гидравлическим индикатором веса инструмента, ограничителем высоты подъема талевого блока, выключателем привода лебедки при превышении штатной грузоподъемности буровой установки.

Однако известная установка, как и большинство таких же аналогичных комплексов для бурения не обладает функцией автоматической подачи долота при углублении ствола и поддержание осевой нагрузки на долото в оптимальном режиме всецело зависит от квалификации и опытности оператора (бурильщика).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемой конструкции является буровая установка, описанная (как комплекс средств для безаварийного и безопасного бурения) в [2], которая содержит вышку, лебедку с ленточно-рычажным тормозом и пневмоцилиндром-усилителем торможения барабана, талевую систему с кронблоком, талевым канатом и талевым блоком, подвешенным на струнах (ветвях) этого каната, ходовой (подвижный) конец которого закреплен на барабане лебедки, а другой (неподвижный) закреплен на основании вышки, гидравлический индикатор веса бурового инструмента с датчиком величины натяжения неподвижного конца каната, закрепленным на нем. В индикаторе веса имеются два весоуказателя манометрического типа, один из которых записывает суточную (круговую) диаграмму изменений веса на блоке (крюке) талевой системы, а другой весоуказатель показывает мгновенные ("сиюминутные") значения для ориентации бурильщика при спуско-подъемных операциях и при углублении (бурении) ствола. Установка содержит также источник сжатого воздуха и источник электроэнергии, а также две параллельные линии от источника сжатого воздуха на пневмоцилиндр-усилитель с нормально закрытыми кранами на каждой из них; один из этих кранов кинематически связан с рычагом (точнее с его поворотной рукояткой) тормоза барабана. Установка оснащена также ограничителем высоты подъема талевого блока с выключателем привода лебедки и с тросиком, размещенным верхней частью своей горизонтально на вышке ниже кронблока между струнами талевого каната и закрепленным одним концом на вышке, а другим концом тросик опущен вниз и закреплен на поднятом вверх (взведенном) поворотном рычаге управления нормально закрытого крана на второй из вышеупомянутых пневмолиний к усилителю торможения барабана. Поворотный рычаг отягощен грузом.

Известная установка также не имеет функции автоматической подачи инструмента на забой с поддержанием заданной осевой нагрузки на долото. Для этого необходимо дооснащение установки, как комплекса, специальным устройством (механизмом), причем ни одно из уже известных подобных устройств не получено повсеместного (широкого) применения в буровой практике строительства глубоких скважин по причине ненадежности, неудовлетворительной работы, сложности в наладке, эксплуатации и обслуживании.

Требуемый технический результат (иначе - цель изобретения) - расширение функциональных возможностей известной установки (повышение потребительских свойств) путем некоторой конструктивной доработки уже имеющихся в составе установки узлов и элементов и введением новых элементов (признаков).

Необходимый результат достигается тем, что в буровой установке, согласно прототипу содержащей вышку, лебедку с ленточно-рычажным тормозом и пневмоцилиндром-усилителем торможения барабана кинематически связанный с рычагом тормоза запорный элемент на пневмолинии, канатом и талевым блоком, подвешенным на струнах этого каната, ходовой конец которого закреплен на барабане, а другой закреплен на основании вышки, гидравлический индикатор веса бурового инструмента с датчиком величины натяжения неподвижного конца каната, установленным на этом конце и соединенным гидравлической линией с манометрическими, показывающим и регистрирующим, весоуказателями, источники пневмо- и электроэнергии, две параллельные линии от пневмоисточника на пневмоцилиндр-усилитель торможения барабана с нормально-закрытыми кранами на каждой из них, ограничитель высоты подъема талевого блока с выключателем привода лебедки и с тросиком, размещенным верхней частью своей горизонтально на вышке ниже, кронблока между струнами талевого каната и закрепленным одним концом на вышке, а другим опущенным вниз концом тросик закреплен на взведенном поворотном рычаге нормально закрытого крана второй пневмолинии, причем поворотный рычаг крана отягощен грузом. На второй пневмолинии ограничителя подъема талевого блока, параллельно его крану установлен нормально закрытой электроуправляемый пневмоклапан-дроссель, электрически соединенный через контактную группу электроконтактного манометра с источником электроэнергии, при этом электроконтактный манометр связан гидравлической линией через запорный вентиль с гидравлической линией индикатора веса, между его датчиком и показывающим и регистрирующим манометрическими весоуказателями.

Предлагаемая буровая установка отличается от известной наличием новых элементов (электроконтактный манометр, электроуправляемый нормально закрытый пневмоклапан-дроссель, запорный элемент) и наличием новых взаимосвязей этих элементов с гидравлическим индикатором веса и элементами ограничителя подъема талевого блока, что позволяет объекту в целом, то есть буровой установке, осуществлять новую функцию - автоматическое поддержание осевой нагрузки на долоте при углублении ствола, а также возможность регулирования этой нагрузки, при необходимости, путем изменения порога срабатывания контактной группы электроконтактного манометра.

Сопоставительный анализ предлагаемой установки как совокупности существенных признаков (в том числе и отличительных) с известными - из нормативно-технической и патентной документации - решениями, позволяет утверждать, что объект соответствует всем критериям изобретения, в том числе критериям "новизна" и "неочевидность".

На чертеже схематично приведена конструкция предлагаемой буровой установки.

Установка содержит вышку 1, лебедку 2, ленточно-рычажный тормоз 3 с пневмоцилиндром-усилителем 4 торможения барабана 5 лебедки, а также талевую систему с кронблоком 6, талевым канатом 7 и талевым блоком 8. Ходовой конец 9 талевого каната 7 закреплен на барабане 5, а неподвижный, так называемый "мертвый", конец 10 этого каната закреплен в основании буровой установки. Установка снабжена гидравлическим индикатором 11 веса бурового инструмента с датчиком 12 величины натяжения неподвижного конца 10 каната, на котором датчик и установлен, а для передачи информативного сигнала с датчика 12 предназначена гидравлическая линия 13, соединяющая его с манометрическими весоуказателями 14 и 15, один из которых - регистрирующий, а другой - показывающий. Установка содержит также источник 16 сжатого воздуха и источник 17 электроэнергии, а также две параллельные пневмолинии 18 и 19 от источника сжатого воздуха к пневмоцилиндру-усилителю 4 с нормально закрытым краном позиции 20 и 21 соответственно, на каждой из этих пневмолиний; при этом нормально закрытый кран 21 на линии 19 соединен (механически) с одним из концов тросика 22 ограничителя (так называемого "противозатаскивателя") высоты подъема талевого блока. Верхний конец 23 тросика 22 "противозатаскивателя" закреплен на вышке 1 под кронблоком, тросик пропущен горизонтально между струнами каната талевой системы и другим, опущенным вниз концом 24 закреплен на поднятом вверх, взведенном, поворотном рычаге 25 нормально закрытого крана 21, при этом рычаг 25 отягощен грузом 26. Буровая установка снабжена также нормально закрытым электроуправляемым пневмоклапаном-дросселем 27, установленным на пневмолинии 19 параллельно крану 21 "противозатаскивателя", а с гидравлической линией 13 через запорный вентиль 28 соединен электроконтактный манометр (ЭКМ) 29, через контакты которого электроуправляемый пневмоклапан-дроссель 27 электрически соединен с источником 17 электроэнергии.

Установка (не детализируя процесс проходки ствола скважины и тонкости технологии бурения) работает следующим образом, а именно: как стационарное грузоподъемное сооружение, в том составе и комплектности, которые необходимы для проведения спуско-подъемных операций с бурильной колонной (трубами) при замене изношенного породоразрушающего инструмента (долота) и/или при нештатной замене его силового привода-вращателя в виде забойного двигателя, а также при технологической необходимости изменения общей компоновки бурильной колонны и/или замены каких-либо составляющих колонну элементов.

При спуско-подъемных операциях контроль за процессом (затяжки или посадки инструмента) осуществляется оператором установки (бурильщиком) визуально по показывающему весоуказателю 14 индикатора веса 11, а ежесуточный контроль за работой установки осуществляется, в основном, по круговой диаграмме в координатах "время - вес инструмента на крюке талевой системы", которую записывает регистрирующий весоуказатель 15 индикатора веса. При этом и персонал и буровая установка защищены от возникновения аварийной ситуации при чрезмерном подъеме талевого блока, так как он (блок) в таком случае срывает со взведенного поворотного рычага 25 (с грузом 26) тросик 22, который концом 24 был на рычаге закреплен; рычаг 25 опускается и отрывает кран 21, сжатый воздух от его источника 16 по пневмолинии 19 идет на пневмоцилиндр-усилитель 4 ленточно-рычажного тормоза и барабан лебедки останавливается (тормозится). Следует отметить, что при такой ситуации одновременно осуществляется и отключение привода лебедки работающим параллельно с противозатаскивателем устройством (на фигуре не показано).

При бурении (проходке) ствола контроль за нагрузкой на долото бурильщик также осуществляет по показаниям индикатора веса, зная показания весоуказателей при свободно подвешенном инструменте и цену деления шкалы каждого из них. Осевую нагрузку на долото создают путем частичной разгрузки талевой системы, используют часть веса бурового инструмента при установке долота на забой, а для поддержания этой нагрузки в интервале регламентированных (оптимальных) значений при проходке бурильщик не должен допускать зависания инструмента на талевой системе установки и не должен допускать перегрузки долота, так как и та, и другая ситуация приводят к весьма существенным отрицательным последствиям, общеизвестным специалистам по бурению. В связи с необходимостью оптимальной отработки долота (максимальная величина проходки при сохранении целостности долота и допустимом износе его вооружения) были созданы и опробованы многочисленные конструкции механизмов подачи долота, однако они, как правило, в состав буровой установки не входят, являются самостоятельно функционирующими изделиями (автономны), сложны в наладке и эксплуатации, недолговечны. Предлагаемая же буровая установка сама работает в режиме подачи долота (то есть в режиме реализации дополнительной функции), а именно: после завершения спуска инструмента, по достижении долотом забоя скважины, бурильщик осуществляет непосредственно бурение с определенной режимом осевой нагрузкой на долото, то есть, затормозив барабан 5 лебедки до полной остановки, периодически растормаживает его для догружения долота весом опускаемого бурового инструмента, при этом за бурильщиком может быть оставлена только функция контроля за режимом подачи долота непосредственно буровой установкой. Для этого достаточно установить на электроконтактном манометре 29 положение (указателя-задатчика порога срабатывания его контактов), соответствующее остаточному весу бурового инструмента, то есть за вычетом осевой нагрузки на долото, и открыть вентиль 28 на гидравлической линии связи этого манометра с индикатором веса. Посредством контактов электроконтактного манометра 29 при их замыкании (размыкании) осуществляется электроуправление пневмоклапаном-дросселем 27, установленным параллельно крану 21 противозатаскивателя, поскольку контакты замыкают (размыкают) цепь управления (электропитания) исполнительного механизма (на фигуре отдельной порцией не показан) электроуправляемого пневмоклапана-дросселя 27. В случае зависания инструмента на талевой системе (недогруз долота осевой нагрузкой) электроуправляемый пневмоклапан-дроссель растормаживает барабан лебедки по команде манометра 29, стравливая воздух из линии 19 в атмосферу, а по достижении штатной (заданной) нагрузки на долото он обеспечивает полное торможение барабана 5, при этом, если необходимо (по той, или иной, причине), не исключается, никоим образом, возможность оперативного вмешательства бурильщика в процесс подачи долота. По окончании бурения достаточно или отключить гидравлическую связь электроконтактного манометра с индикатором веса посредством закрытия вентиля 28, или перевести указатель-задатчик порога срабатывания контактной группы ЭКМ в сторону заведомо превышающего (вес инструмента) значения на его шкале, при этом манометр 29 в паре с краном-дросселем 27 сработают, как ограничитель грузоподъемности установки при затяжках инструмента и/или ликвидации его прихвата.

Таким образом, совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) предлагаемой буровой установки обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует критериям "изобретения" и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.

Источники информации 1. В. М. Муравьев, Н.Г. Середа. Основы нефтяного и газового дела. М., Недра, 1967, с. 92, 115-119 и рис. 73.

2. Г.С. Газарян, П.В. Куцын. Безопасное ведение буровых работ. М., Недра, 1967, с. 113-114, 127, 143-145; прототип.

Формула изобретения

Буровая установка, содержащая вышку, лебедку с ленточно-рычажным тормозом, снабженные пневмоцилиндром-усилителем торможения барабана, кинематически связанный с рычагом тормоза запорный элемент на пневмолинии к пневмоцилиндру-усилителю торможения барабана, талевую систему с кронблоком на верху вышки, талевым канатом и талевым блоком, подвешенным на струнах талевого каната, ходовой конец которого закреплен на барабане лебедки, а неподвижный закреплен на основании вышки, гидравлический индикатор веса бурового инструмента с датчиком величины натяжения неподвижного конца талевого каната, установленным на этом конце и соединенным гидравлической линией с показывающим и регистрирующим манометрическими весоуказателями, источники пневмо- и электроэнергии, две параллельные пневмолинии от источника сжатого воздуха на пневмоцилиндр-усилитель торможения барабана с нормально закрытыми кранами на каждой из них, ограничитель высоты подъема талевого блока с выключателем привода лебедки и тросиком, размещенным верхней частью своей горизонтально на вышке ниже кронблока между струнами талевого канала и закрепленным одним концом на вышке, а другим опущенным вниз концом тросик закреплен на взведенном поворотном рычаге нормально закрытого крана второй пневмолинии, причем поворотный рычаг отягощен грузом, отличающаяся тем, что на второй пневмолинии ограничителя подъема талевого блока параллельно его крану, установлен нормально закрытый электроуправляемый пневмоклапан-дроссель, электрически соединенный через контактную группу электроконтактного манометра с источником электроэнергии, при этом электроконтактный манометр связан гидравлической линией через запорный вентиль с гидравлической линией индикатора веса, между его датчиком и показывающим и регистрирующим манометрическими весоуказателями.

РИСУНКИ

Рисунок 1