Устройство для формирования осевой нагрузки на долото

 

Полезная модель относится к вращательным способам бурения, в частности к бурению скважин с гидравлическими забойными двигателями. Для увеличения износостойкости дополнительной проточной осевой опоры скольжения устройство включает бурильную колонну и присоединенные к ней переводниками гидравлический забойный двигатель с долотом и встроенные между бурильной колонной и забойным двигателем в переводнике осевую проточную опору скольжения с подпятником и пятой, корпус этой опоры, упругий элемент, втулку, траверсу с седлом клапана и его тарелкой, жестко соединенной со штоком и корпусом, регулировочные кольца, уплотнения траверсы и отверстия для протекания промывочной жидкости в корпусе, во втулке и траверсе соответственно. 1 ил.

Полезная модель относится к области машиностроения, в основном к бурению скважин с гидравлическими забойными двигателями (ГЗД), и, в частности, к бурению направленно-искривленных скважин с большими зенитными углами и с горизонтальными участками их ствола.

В бурении глубоких скважин известны электромагнитные, механические и гидромеханические устройства для формирования осевой нагрузки на долото.

Известно устройство, устанавливаемое между бурильной колонной и забойным двигателем [Изосимов A.M. Устройство для создания осевой нагрузки на долото // Бурение и нефть. - 2008. - №1. - С.46-47], состоящее из корпуса, внутри которого размещена электромагнитная катушка, полого штока квадратного сечения с немагнитной нижней частью, пружины, смягчающей возможные резкие перемещения штока, уплотнения, контактной муфты, контактного стержня, с закрепленными на нем клапанами, седла и электроприводного якоря. Работа устройства основана на подаче электроэнергии с необходимыми напряжением и силой тока в электроприводный якорь, который выдвигается и контактирует со стенками скважины, воспринимая силу реакции забоя, и электромагнитную катушку, которая за счет электромагнитных сил перемещает шток и создает осевую нагрузку на долото.

Устройство имеет свои определенные недостатки: процесс формирования нагрузки на долото происходит не непрерывно - после выработки хода штока устройство отключается, регулятор подачи долота перемещает бурильную колонну вместе с корпусом устройства в сторону забоя, после чего процесс повторяется; нет механизма для передачи осевых вибраций долота бурильной колонне, что необходимо для снижения сил трения лежащего на нижней стенке скважины бурильного инструмента; в устройстве, кроме промывочного узла долота, нет механизмов для образования осевого гидравлического усилия на долото, в связи, с чем между подачами к забою нижнего конца колонны осевая нагрузка на долото после выработки хода штока может снижаться до нуля; формирование осевой нагрузки на долото затрудняется из-за сложности конструктивного выполнения утяжеленных труб, в которые необходимо встраивать электрокабель.

Для осуществления формирования осевой нагрузки на долото при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин известно устройство, устанавливаемое между валом забойного двигателя и долотом [Лузянин Г.С., Галиченко В.П., Разуваев В.Д., Матвеенко Л.М., Гордеев Ю.П., Смирнов В.Н. Результаты промысловых испытаний усилителя нагрузки на долото // Нефтяное хозяйство. - 1994. -

№12. - С.26-29], которое состоит из корпуса, образованного двумя свинчиваемыми переводниками с присоединительными резьбами, с установленными в нем решеткой и перегородкой с боковым отверстием, между которыми находится упорная втулка, в полости которой расположен массивный шар. Шар, катаясь по внутренней поверхности втулки вследствие вращения устройства, периодически неполностью перекрывает отверстие перегородки, в результате возникает частичный гидравлический удар, давление которого дает силу, приложенную внезапно в направлении забоя и способствующую преодолению силы трения бурильной колонны о стенки скважины и передаче нагрузки на долото.

Несмотря на конструктивную простоту и надежность устройства, ему тоже присущи определенные недостатки: для обеспечения работы устройства необходимо перекатывание шара по внутренней поверхности втулки, а это возможно только при вращении бурильной колонны; частота срабатывания устройства находится в прямой зависимости от частоты вращении бурильной колонны; в устройстве нет механизма для передачи осевых вибраций долота бурильной колонне.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип [RU2124617 С1, МПК 6 Е21В 4/02, 19/08, опубл. 1999], является устройство для формирования осевой нагрузки на долото, устанавливаемое между бурильной колонной и забойным двигателем, состоящее из переводника, в котором соосно установлены дополнительная проточная осевая опора скольжения, упругий элемент, например стальная витая пружина, для плавной передачи осевых усилий от колонны на верхний торец вала забойного двигателя, стальная втулка для жесткой передачи бурильной колонне осевых вибраций от верхнего торца вала, а также генератор, например тарельчатый клапан, осевого гидравлического усилия, передаваемого на верхней торец вала забойного двигателя, при этом подпятник дополнительной осевой опоры выполнен в виде стакана и установлен на верхний торец вала забойного двигателя, пята выполнена в виде сменного стержня с шаровой рабочей поверхностью и установлена в корпусе пяты, пружина и втулка установлены на корпусе пяты, над пружиной и втулкой установлена траверса с отверстиями для протекания промывочной жидкости со встроенным в траверсу тарельчатым клапаном для генерирования в нем перепада давления, причем тарелка клапана закреплена на штоке, который жестко встроен в выступ на верхней центральной части корпуса пяты, втулка выполнена с отверстиями для свободного протекания промывочной жидкости из-под клапана к отверстиям в корпусе пяты, при этом между верхним торцом втулки и траверсой выполнен зазор, величину которого регулируют кольцами, расположенными над траверсой, при этом кольца прижимают рабочим переводником.

Недостатком устройства является низкая износостойкость дополнительной осевой опоры, в которой трение вращающегося подпятника и неподвижной пяты происходит при больших контактных нагрузках. Замена изношенного узла или детали сопряжена со спускоподъемными операциями, что уменьшает скорость проходки скважины и увеличивает стоимость 1 м бурения

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в повышении скорости проходки скважин и снижение стоимости 1 м бурения. Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в увеличении износостойкости дополнительной осевой опоры скольжения за счет использования резино-металлических трущихся деталей с большой поверхностью контакта. Ресурс подобных осевых опор в турбобурах составляет несколько сотен часов.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для формирования осевой нагрузки на долото содержит бурильную колонну и присоединенный к ней переводником гидравлический забойный двигатель с осевой опорой, между валом гидравлического забойного двигателя и бурильной колонной над гидравлическим забойным двигателем в переводнике соосно установлены дополнительная проточная осевая опора скольжения, упругий элемент, например, стальная витая пружина, для плавной передачи осевых усилий от бурильной колонны на верхний конец вала гидравлического забойного двигателя, стальная втулка для жесткой передачи бурильной колонне осевых вибраций от верхнего конца вала гидравлического забойного двигателя, и выполненный в виде тарельчатого клапана генератор осевого гидравлического усилия, передаваемого на верхний конец вала гидравлического забойного двигателя. Особенностью является то, что подпятник дополнительной проточной осевой опоры скольжения выполнен в виде втулки и двух дисков, закреплен гайкой на верхнем конце вала гидравлического забойного двигателя, а пята выполнена в виде кольца с обрезиненными контактирующими поверхностями и установлена в корпусе, имеющем возможность перемещаться в осевом направлении по шпонке относительно корпуса устройства.

В устройстве предусмотрены генерирование дополнительного осевого гидравлического усилия в клапане устройства, передача через упругий элемент этого усилия и части усилия от бурильной колонны на верхний конец вала гидравлического забойного двигателя и далее на долото, снижение сил трения бурильной колонны о стенки скважины путем постоянной передачи бурильной колонне осевых вибраций долота от верхнего конца вала гидравлического забойного двигателя и регулирования диапазона параметров передаваемых бурильной колонне осевых вибраций.

Устройство представлено на чертеже.

Устройство для формирования осевой нагрузки на долото содержит бурильную колонну и присоединенный к ней переводником гидравлический забойный двигатель с осевой опорой. В устройстве соосно расположена в переводнике между валом гидравлического забойного двигателя и бурильной колонной над гидравлическим забойным двигателем дополнительная проточная осевая опора скольжения, содержащая подпятник, выполненный в виде втулки 1 и двух дисков 2, закрепленных пружинной шайбой 3 и гайкой 4 на верхнем конце вала 5 гидравлического забойного двигателя, пяту 6, выполненную в виде кольца с обрезиненными контактирующими поверхностями, закрепленную в корпусе 7 разрезной гайкой 8 со стопорным винтом 9, отверстия 10 в корпусе 7, шпонку 11, установленную между корпусом 7 и переводником 12 для размещения в нем предлагаемого устройства, упругий элемент, например стальную витую пружину 13, стальную втулку 14 с отверстиями 15, шток 16 для крепления тарелки клапана, траверсу 17 с отверстиями 18 и со встроенными в ней седлом 19 и тарелкой 20 клапана, выполняющего роль генератора осевого гидравлического усилия, передаваемого на верхний конец вала 5 гидравлического забойного двигателя, рабочий переводник 21, регулировочные кольца 22, уплотнения 23, выступ 24 на корпусе 7 для крепления в нем штока 16, и корпус 25 гидравлического забойного двигателя. Расположенные соосно над гидравлическим забойным двигателем упругий элемент 13 обеспечивает плавную передачу осевых усилий от колонны бурильных труб на верхний конец вала 5 гидравлического забойного двигателя, а стальная втулка 14 - жесткую передачу бурильной колонне осевых вибраций от верхнего конца вала 5 гидравлического забойного двигателя. Корпус 7 имеет возможность перемещения в осевом направлении по шпонке 11 относительно корпуса устройства.

Устройство работает следующим образом.

После установки подпятника, выполненного в виде втулки 1 и двух дисков 2, закрепленных пружинной шайбой 3 и гайкой 4 на верхнем конце вала 5 гидравлического забойного двигателя и всего устройства на корпусе 25 гидравлического забойного двигателя, кольцами 22 и переводником 21 поджимают стальную витую пружину 13 до ее осевого размера с образованием расчетной величины зазора между верхним торцом стальной втулки 14 и траверсой 17 для передачи от вала 5 гидравлического забойного двигателя бурильной колонне необходимых по параметрам осевых вибраций, поступающих от долота. Одновременно с поджатием стальной витой пружины 13 устанавливают начальное положение тарелки 20 клапана в отверстии седла 19 клапана, встроенного в траверсе 17, для обеспечения средней проектной величины перепада

давления в отверстиях 18 и клапане, встроенном в траверсе 17, а, следовательно, для обеспечения начальной расчетной величины дополнительного гидравлического осевого усилия на верхний торец вала 5 гидравлического забойного двигателя. Далее работу устройства для формирования осевой нагрузки на долото рассмотрим для случая бурения скважины на ее горизонтальном или наклонном участках.

Во время подачи бурильной колонны к забою под действием осевого усилия, передаваемого от бурильной колонны через переводник 21 и кольца 22, траверса 17 перемещается в направлении к валу 5 гидравлического забойного двигателя, стальная витая пружина 13 сжимается, зазор между траверсой 17 и стальной втулкой 14 уменьшается. Одновременно с этим процессом посредством дисков 2 подпятника, пяты 6, корпуса 7, стальной втулки 14, траверсы 17 и колец 22 интенсифицируется передача бурильной колонне осевых вибраций от вала 5 гидравлического забойного двигателя. В результате чего силы трения бурильной колонны о стенки скважин снижаются, и бурильная колонна более свободно перемещается к забою, и быстрей формируется проектная величина осевой нагрузки на долото. В конце подачи бурильной колонны к забою тарелка 20 клапана находится в своем верхнем относительно траверсы 17 положении, а зазор между стальной втулкой 14 и траверсой 17 и гидравлическое осевое усилие на вал 5 гидравлического забойного двигателя от действия перепада давления в бурильной колонне становятся минимальными. В это время наиболее широк диапазон осевых вибраций, передаваемых от верхнего торца вала 5 гидравлического забойного двигателя бурильной колонне, а осевая нагрузка на долото максимальная и передается на него с более высоким КПД, чем при отсутствии предлагаемого устройства.

По мере разрушения забоя скважины в промежутке времени между подачами бурильной колонны к забою, вал 5 гидравлического забойного двигателя и тарелка 20 клапана смещается в сторону забоя, стальная витая пружина 13 разжимается, зазор между траверсой 17 и стальной втулкой 14 увеличивается, а диапазон вибраций, передаваемых бурильной колонне от торца вала 5 гидравлического забойного двигателя, сужается. Но на бурильную колонну, лежащую на нижней стенке скважины, продолжают воздействовать указанные вибрации в основном с повышенными амплитудами, при этом нижняя часть бурильной колонны продолжает смещаться к забою, догружая долото осевым усилием. В момент времени между подачами бурильной колонны, при смещении к забою штока 16 с тарелкой 20 клапана, площадь клапана для протекания жидкости через клапан уменьшается, а гидравлическое осевое усилие на траверсу 17 и далее на вал 5 гидравлического забойного двигателя возрастает, причем с повышенной пульсацией потока, обусловленной жесткой связью тарелки 20 с пятой 6 устройства.

Устройство для формирования осевой нагрузки на долото, содержащее бурильную колонну и присоединенный к ней переводником гидравлический забойный двигатель с осевой опорой, между валом гидравлического забойного двигателя и бурильной колонной над гидравлическим забойным двигателем в переводнике соосно установлены дополнительная проточная осевая опора скольжения, упругий элемент, например стальная витая пружина, для плавной передачи осевых усилий от бурильной колонны на верхний конец вала гидравлического забойного двигателя, стальная втулка для жесткой передачи бурильной колонне осевых вибраций от верхнего конца вала гидравлического забойного двигателя и выполненный в виде тарельчатого клапана генератор осевого гидравлического усилия, передаваемого на верхний конец вала гидравлического забойного двигателя, отличающееся тем, что подпятник дополнительной проточной осевой опоры скольжения выполнен в виде втулки и двух дисков, закреплен гайкой на верхнем конце вала гидравлического забойного двигателя, а пята выполнена в виде кольца с обрезиненными контактирующими поверхностями и установлена в корпусе, имеющем возможность перемещаться в осевом направлении по шпонке относительно корпуса устройства.



 

Наверх