Устройство для направленного бурения скважин

 

Изобретение относится к направленному бурению наклонных и горизонтальных скважин с использованием забойных ударных машин и может найти применение при бестраншейных технологиях прокладки коммуникаций в сложных геологических структурах. Устройство включает корпус, ударник с головкой и штоком, имеющим эксцентричный выступ на ударном торце, и породоразрушающий инструмент, соосно размещенные в корпусе. Соосно с ударником на его штоке установлена дебалансная втулка, соединенная с ударником подвижно в осевом направлении. Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационной надежности за счет равнопрочного поперечного сечения ударника и увеличение дебалансного момента на ударнике за счет максимально возможного смещения центра тяжести пары: ударник - дебалансная втулка. 5 ил.

Изобретение относится к направленному бурению наклонных и горизонтальных скважин с использованием забойных ударных машин и может найти применение при бестраншейных технологиях прокладки коммуникаций в сложных геологических структурах.

Известно устройство ударного действия для образования скважин в грунте по а.с. СССР 524890, кл. E 02 F 5/18, Е 21 В 7/06, опубл. в БИ 30, 1976 г., включающее цилиндрический корпус, в котором размещены ударник, выполненный с возможностью нанесения внецентренного удара, и воздухораспределительный патрубок. При этом центр тяжести ударника смещен относительно продольной оси устройства, а ударник имеет возможность поворота относительно корпуса при помощи воздухораспределительного патрубка.

Это устройство работает эффективно только в уплотняемых грунтах, так как уплотняющий наконечник и корпус его не вращаются. В валунно-галечниковых отложениях и скальных породах устройство не работает.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом по патенту РФ 2039185, кл. Е 21 В 7/00, 7/06, опубл. в БИ 19, 1995 г., которое содержит корпус, ударник, выполненный с центром тяжести, смещенным относительно продольной оси устройства, и размещенный в корпусе соосно с ним с возможностью свободного перемещения, и породоразрушающий инструмент. При этом на нижнем торце ударника соосно с ним установлена пята с возможностью установочного поворота относительно оси ударника, а на нижнем торце пяты эксцентрично расположен выступ.

Это устройство эффективно работает в широком диапазоне геологических характеристик пород, так как имеет внешнее вращение корпуса и породоразрушающего инструмента. Однако существенным недостатком его является низкая надежность из-за ослабленного поперечного сечения ударника и малый дебалансный момент из-за малого эксцентриситета смещения центра тяжести ударника.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом устройстве, заключается в повышении эксплуатационной надежности за счет равнопрочного поперечного сечения ударника. Дополнительным положительным эффектом в предлагаемом устройстве является увеличенный дебалансный момент на ударнике за счет максимально возможного эксцентриситета центра тяжести пары: ударник - дебалансная втулка.

Поставленная задача решается посредством того, что в предлагаемом устройстве для направленного бурения скважин, включающем корпус, ударник с головкой и штоком, имеющим эксцентричный выступ на ударном торце, и породоразрушающий инструмент, соосно размещенные в корпусе, согласно предлагаемому решению соосно с ударником на его штоке установлена дебалансная втулка, соединенная с ударником подвижно в осевом направлении. Ввиду того что в предлагаемом устройстве ударник более прочный, так как имеет равнопрочное, не ослабленное поперечное сечение, благодаря установке на его шток дебалансной втулки, не нагруженной ударными импульсами, то эксплуатационная надежность устройства выше по сравнению с прототипом. Кроме того, точность заданного направления бурения предлагаемым устройством тоже выше, так как дебалансный момент, обеспечивающий заданную зону нанесения ударов по породоразрушающему инструменту, больше, чем дебалансный момент у прототипа вследствие максимального эксцентриситета центра тяжести пары: ударник - дебалансная втулка.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами, где на фиг. 1 и 2 показан продольный разрез устройства для направленного бурения скважин, общий вид, в плоскости, проходящей через ось устройства, контактную точку ударника с породоразрушающим инструментом и центр тяжести дебалансной втулки, в том числе на фиг. 2 взаимодействие породоразрушающего инструмента с породой при внецентренном ударе по нему ударником. Направление стрелок показывает на доминирующие зоны разрушения забоя скважины, определяющие направление искривления скважины. Фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1. Фиг. 4 - схема, поясняющая направление В искривления скважины при доминантном векторе С зоны D нанесения внецентренных ударов по породоразрушающему инструменту. Фиг.5 - схема направленного бурения скважин предлагаемым устройством.

Устройство для направленного бурения скважин состоит из корпуса 1 (фиг. 1) с гильзой 2, имеющей пазы 3, отверстия 4, расточки 5 и 6, переходника 7 с каналами 8, штока 9 с каналами 10 и 11, клапана 12, установленного на штоке 9, ударника 13, имеющего головку 14, разделяющую полость гильзы 2 на камеру 15 прямого хода и камеру 16 обратного хода, шток 17 с эксцентричным выступом 18 на ударном торце и шлицевыми пазами 19, центральный канал 20, дебалансной втулки 21, установленной соосно на штоке 17 ударника 13 и соединенной с ним с возможностью переустановки подвижно в осевом направлении посредством выступов 22, буксы 23 с размещенным в ней соосно и подвижно по оси породоразрушающим инструментом 24 с каналами 25 и 26 (фиг. 2).

Устройство работает следующим образом. Энергоноситель в виде сжатого воздуха, газожидкостной смеси или жидкости, подводимый к предлагаемому устройству (фиг. 1, левая половина) по ставу бурильных труб (фиг.5) поступает в переходник 7 и далее по каналам 8, пазам 3, отверстиям 4 в камеру 16. Ударник 13 совершает обратный ход в сторону переходника 7, так как камера 15 прямого хода ударника 13 в это время соединена с забойным пространством через канал 20 ударника 13 и каналы 25, 26 породоразрушающего инструмента 24. После перекрытия канала 20 ударника 13 штоком 9 (фиг. 1) камера 15 прямого хода остается соединенной с забойным пространством через каналы 10, 11 штока 9, канал 20 ударника 13 и каналы 25, 26 породоразрушающего инструмента 24. Далее, по мере продвижения, ударник 13 своей головкой 14 входит в зону расточки 6 гильзы 2. Энергоноситель через образовавшийся зазор поступает из камеры 16 обратного хода в камеру 15 прямого хода. Под действием давления энергоносителя со стороны камеры 15 на клапан 12 происходит перекидка его в верхнее положение (фиг. 1, правая половина). Давление в камере 15 нарастает до магистрального значения, ударник 13 затормаживается до остановки и меняет направление движения в сторону породоразрушающего инструмента 24. На всем пути прямого хода ударника 13, до момента схода его со штока 9, клапан 12 остается открытым, обеспечивая питание камеры 15 энергоносителем. Ударник 13 набирает скорость и цикл завершается ударом по породоразрушающему инструменту 24 выступом 18 в зоне D, определяемой взаимным расположением дебалансной втулки 21 (центра тяжести) шлицевого соединения ее со штоком 17 ударника 13 и выступа 18 на его штоке 17.

В результате внецентренного удара по породоразрушающему инструменту 24 (фиг. 1, 2, 4) последний испытывает опрокидывающий момент в плоскости, проходящей через продольную ось инструмента 24 и доминантный вектор С зоны D нанесения ударов. Происходит неравномерное разрушение поверхности забоя и прилегающей поверхности стенки скважины, в результате чего ось скважины искривляется в сторону, противоположную зоне нанесения ударов по породоразрушающему инструменту 24.

При необходимости корректировки трассы скважины устройство извлекают из нее и переустанавливают дебалансную втулку 21 (фиг. 3) в шлицевом соединении ее с ударником 13 относительно его штока 17 и выступа 18 в требуемую сторону с учетом числа оборотов става штанг, вида энергоносителя и момента трения ударника 13 о корпус 1 устройства. При проходке горизонтального участка скважины предлагаемое устройство заменяют на обычную забойную ударную машину или в предлагаемом устройстве заменяют ударник 13 на ударник из числа ЗИП, не имеющий выступа 18 на ударном торце.

Ввиду того что в предлагаемом устройстве для направленного бурения скважин зона D нанесения внецентренных ударов по породоразрушающему инструменту 24 определяется дебалансной втулкой 21 с максимально возможным вращающим моментом, а шток 17 ударника 13 выполнен равнопрочным в поперечном сечении и монолитным с выступом 18, устройство более надежно в эксплуатации и эффективно в работе.

Формула изобретения

Устройство для направленного бурения скважин, включающее корпус, ударник с головкой и штоком, имеющим эксцентричный выступ на ударном торце, и породоразрушающий инструмент, соосно размещенные в корпусе, отличающееся тем, что соосно с ударником на его штоке установлена дебалансная втулка, соединенная с ударником подвижно в осевом направлении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5