Пристрій для буріння свердловин

Винахід стосується галузі буріння свердловин, а саме компоновок бурильної колони, призначених для буріння вертикальних та похилих свердловин ударно-обертовим способом. Відомий пристрій для буріння свердловин (А.с. 1317084 СРСР, кл. E21B7/00), який містить долото, наддолотний перехідник, жорстко зв’язану з ним бурильну колону і ударну втулку, розміщену над наддолотним перехідником з можливістю осьових переміщень відносно бурильної колони і долота. При бурінні в породах підвищеної міцності в свердловині утворюється вибій хвилястої форми, внаслідок чого при обертанні бурильної колони виникають осьові коливання долота, наддолотного перехідника і ударної втулки. Коливання ударної втулки, в свою чергу, передаються на долото і доповнюють статичне навантаження на вибій динамічним зусиллям. Поєднання статичного зусилля на вибій (від ваги бурильної колони) з динамічним навантаженням підвищує е фективність руйнування гірської породи, внаслідок чого зростає механічна швидкість буріння. Даний пристрій не забезпечує необхідний термін експлуатації бурильної колони в зв'язку з підсиленням (під дією коливань ударної втулки) циклічних напружень в елементах бурильної колони, які погіршують умови експлуатації бурильної колони. Пристрій не забезпечує достатню механічну швидкість буріння при малому числі обертів бурильної колони, а також, якщо виступи та западини на вибої мають незначні висоту і глибину. При цьому коливання долота і ударної втулки не виникають, в зв'язку з чим динамічна дія на вибій відсутня. Відомий також пристрій для буріння свердловин (А.с. 1639116 CPCP, кл. E21B10/30), який містить долото, наддолотний перехідник, зв'язану з ним за допомогою рухомого з'єднання бурильну колону і ударну втулку, розміщену над наддолотним перехідником з можливістю осьових переміщень відносно бурильної колони і долота. Внаслідок динамічного зусилля на долото зростає механічна швидкість буріння, а рухоме з'єднаний наддолотного перехідника з бурильною колоною забезпечує захист її різьбових з'єднань від циклічних навантажень, що виникають під дією коливань ударної втулки. Даний пристрій, як і попередня конструкція, не забезпечує динамічне навантаження на долото, якщо в процесі буріння утворюється вибій рівної форми. Задача винаходу полягає в підвищенні ефективності буріння свердловин за рахунок зростання механічної швидкості проходки внаслідок інтенсифікації динамічної дії на гірську породу. В основу винаходу покладене завдання створити такий пристрій, який забезпечив би достатню динамічну дію на вибій незалежно від його форми, що утворюється в процесі буріння та визначається його умовами. Задача вирішується слідуючим чином. Обернуті одна до одної торцьові поверхні ударної втулки та наддолотного перехідника містять розміщені по периферії площі контакту радіальні скруглені виступи та западини, причому геометричні розміри та кількість виступів і западин, розміщених на торцьовій поверхні ударної втулки відповідають геометричним розмірам та кількості виступів і западин, розміщених на торцьовій поверхні наддолотного перехідника. Внаслідок нерівномірності обертання бурильної колони з процесі буріння виникає кутове зміщення ударної в втулки відносно наддолотного перехідника. Наявність виступів та западин на контактуючих поверхнях приводить до того, що кутове зміщення ударної втулки і перехідника викликає їх взаємне осьове зміщення, внаслідок чого виникають коливання ударної втулки і динамічне навантаження на вибій. Виконання виступів і западин на контактуючи х поверхнях дозволяє підвищити механічну швидкість буріння незалежно від форми вибою що значно розширює галузь використання пристроїв, динамічне навантаженій в яких створюється шляхом використання енергії коливань бурильної колони. На фіг.1 показаний варіант пристрою з внутрішньою а на фіг.2 - варіант з зовнішньою ударною втулкою; на фіг.3 - переріз рухомого з'єднання наддолотного перехідника з бурильною колоною; на фіг.4 - положення контактуючих торцьових поверхонь, при якому виступи ударної втулки розміщені в западинах наддолотного перехідника (поверхні втулки та перехідника розвернуті навколо вертикальної осі); на фіг.5 положення контактуючих гарцьових поверхонь, при якому виступ и ударної втулки знаходяться на одному рівні з виступами наддолотного перехідника. Пристрій складається з корпусу 1, ударної втулки 2, наддолотного перехідника 3, втулки 4 і долота 5. Наддолотний перехідний 3 нижньою частиною з'єднується з долотом 5, а верхнярозміщена в корпусі 1 з можливістю осьових переміщень і утворює рухоме з'єднання долота 5 і бурильної колони 6. Втулка 4, що з'єдн ується з корпусом 1 та бурильною колоною 6 має внутрішнє шестикутне січення, а перехідник 3 - зовнішнє (фіг.3), завдяки чому долото 5 та бурильна колона 6 можуть здійснювати одне відносно одного взаємне осьове переміщення при збереженні можливості передавати обертовий момент. В верхній частині зовнішньої поверхні перехідника 3 виконана проточка, в якій розміщені два півкільця 7, завдяки чому обмежується взаємне осьове переміщення долота 1 бурильної колони. Ударна втулка 2 розміщена в корпусі 1 (фіг.1) або знаходиться з зовнішнього боку (фіг.2) і може здійснювати вертикальні переміщення відносно бурильної колони і долота. Нижня торцьова поверхня А ударної втулки 2, що обернута до порехідника 3, містить розміщені по периферії радіальні виступи та западини. Верхня торцьова поверхня Б перехідника 3 також містить подібні виступи та западини. Геометричні розміри та кількість виступів і западин однакові на торцьових поверхнях втулки 2 і порехідника 3. В неробочому стані ударна втулка 2 нерухома, а її виступи входять в западини перехідника 3 (фіг.4). Максимально осьове зміщення ударної втулки 2 відносно порехідника 3 в випадку збереження їх контакту відповідає взаємному положенню, при якому виступи нижньої торцьової поверхні ударної втулки 2 знаходяться навпроти виступів верхньої торцьової поверхні перехідника 3 (фіг.5). Ударна втулка 2 та перехідник 3 містять центральний канал для проходу бурового розчину. Пристрій працює таким чином. Пристрій спускають в свердловину на бурильних труба х 6. Перед початком роботи ударна втулка 2 знаходиться в нерухомому стані відносно долота 5 та розміщена на наддолотним перехідником 3. В процесі буріння долото 5 і бурильна колона 6 крім осьових приймають також участь і в крутильних коливаннях, зв'язаних з особливостями роботи долота на вибої. Крутильні коливання виникають внаслідок нерівномірності обертання бурильної колони в свердловині. Під час зменшення кутової швидкості обертання долота 5 та бурильної колони 6 ударна втулка 2, що має велику масу 1 не зв'язана з бурильною колоною, внаслідок інерції зберігає попередню кутову швидкість обертання. Виникає різниця кутових швидкостей ударної втулки 2 та долота 5, внаслідок чого виступи 1 западини втулки та перехідника входять в зачеплення, що веде до їх відносного осьового переміщення. Внаслідок кутового зміщення ударна втулка 2 піднімається над верхньою торцьовою поверхнею перехідника 2, після чого під дією власної ваги рухається в зворотньому напрямку і в момент контакту з перехідником 3 створює динамічне зусилля на долото 5 і вибій. В зв'язку з тим, що, коливання швидкості обертання долота 5 існують на протязі всього часу буріння свердловини виникає періодично діюча динамічна сила, що підвищує ефективність руйнування гірської породи. За рахунок рухомого з'єднання долота 5 та бурильної колони 6, коливання ударної втулки 2 не передаються безпосередньо на бурильну колону, внаслідок чого зберігається необхідний термін експлуатації її різьбових з'єднань. При бурінні в свердловинах з хвилястою формою вибою коливання ударної втулки 2 створюються за рахунок коливань долота на нерівностях гірської породи. В цьому випадку динамічне зусилля від дії крутильних коливань бурильної колони доповнює дію динамічного зусилля, що виникає внаслідок осьових коливань. Таким чином, пристрій може бути ефективним в свердловинах з любою формою вибою. Техніко-економічна ефективність при використанні пристрою досягається за рахунок підвищення механічної швидкості буріння свердловин, внаслідок чого зростає продуктивність праці, зменшуються витрати доліт і термін будівництва свердловини та понижується собівартість робіт. Періодичне динамічне навантаження на вибій сприяє підвищенню якості будівництва свердловин.