Пристрій для буріння свердловини з її одночасним кріпленням

Реферат: Пристрій для буріння свердловини з її одночасним кріпленням містить обсадну колону труб з кільцевою коронкою, колону бурильних труб із установленим на ній центральним долотом, шліцьове з'єднання для передачі крутильного моменту від колони бурильних труб на кільцеву коронку, і шламовідвідні канали. Для можливості буріння свердловини в породах різної міцності пристрій додатково оснащений елементом передачі осьового навантаження від колони бурильних труб на кільцеву коронку, виконаним у вигляді кільцевого виступу на елементі шліцьового з'єднання, розташованого на колоні бурильних труб, з можливістю контактування з верхньою поверхнею елемента шліцьового з'єднання, розташованого на кільцевій коронці. Центральне долото встановлене з можливістю поздовжнього переміщення у бік ріжучої поверхні кільцевої коронки на відстань, рівну 1,0-2,0 від відстані між торцевою й ріжучою поверхнями кільцевої коронки. Один зі шламовідвідних каналів утворений зазором між елементами шліцьового з'єднання з поперечним перерізом, рівним 0,9-1,1 від внутрішнього поперечного перерізу колони бурильних труб, на якій установлений шламозбірник. UA 102974 C2 (12) UA 102974 C2 UA 102974 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується буріння свердловин і може бути використаний в геологорозвідувальній і нафтогазовидобувній промисловостях для буріння в зонах ускладнень, а також при розробці метановугільних родовищ. Відомий пристрій для буріння свердловин у нестійких і зруйнованих гірських породах з одночасним кріпленням, що складається з колони бурильних труб і обсадної колони труб, башмака із центратором, породоруйнуючого інструмента у вигляді центрального долота, відхильника з підвідними каналами, і спрямовувального елемента, виконаного з ексцентричним поперечним пазом прямокутної форми, нижня частина якого на величину ексцентриситету, обумовлену різницею RCB. – RП.І., де RCB. і RП.І. - радіуси свердловини й породоруйнівного інструмента відповідно, виконана з конусністю - рівною конусності хвостовика відхильника, що розміщений в ексцентричному поперечному пазу спрямовувального елемента з можливістю осьового й горизонтального зсувів, при цьому вісь відвідного каналу відхильника для подачі очисного агента на вибій свердловини розташована під кутом до його осі й осі свердловини (RU 2262578 С1, кл. Е21В 7/20, опубл. 20.10.2005 р.). Буріння свердловин відомим пристроєм обмежено його використанням тільки в нестійких і зруйнованих породах, оскільки для ефективного руйнування твердих і міцних порід потрібно значне осьове зусилля на вибій свердловини, а це значить, що осі шарошок і тяг повинні мати достатню міцність, що створити в такому обмеженому просторі конструкції відомого пристрою досить проблематично. Конструкція центрального долота дуже складна у виготовленні через наявність декількох осьових вузлів, розміщених у досить обмеженому просторі. Відомий пристрій не забезпечує можливості здійснювати буріння включень твердих і міцних гірських порід (валунів), оскільки через конічну поверхню на центральне долото можна передавати тільки незначний по величині крутильний момент. Крім того, при бурінні перемежованих порід із включеннями валунно-галькових відкладень долото, закріплене ексцентрично, сприймає значні згинаючі напруги, що приводить до скривлення свердловини й поломки пристрою. Ненадійне кріплення відхильника в ексцентричному поперечному пазу спрямовувального елемента приводить до можливості виникнення аварійної ситуації й, як наслідок, до утворення вибою недостатнього діаметра, що приводить до заклинювання в свердловині обсадної колони при її спуску. Таким чином, відомий пристрій характеризується складністю конструкції й виготовлення, необхідністю застосування спеціального, а не серійного, породоруйнуючого інструмента, значною складністю переведення пристрою із транспортного положення в робоче й назад через неможливість забезпечення високої точності при сполученні внутрішнього поздовжнього виступу на обсадній колоні труб з пазом центратора в привибійній зоні, що знижує надійність пристрою в цілому. Відомий пристрій, що реалізує відомий спосіб буріння свердловин у нестійких породах з одночасним кріпленням (RU 2437997, С1, кл. Е21В 7/20, опубл. 27.12.2011 p.), що містить колону бурильних труб з розташованим на ній пристроєм, що складається з посадкового патрубка, з'єднаного з багатопроменевою розширюваною трубою, що виконує роль обсадної колони труб, оснащеної знизу породоруйнуючим інструментом у вигляді розсувного долота, і калібруючий інструмент для остаточного виправлення розширюваної труби до діаметра, рівного діаметру свердловини, обладнаний ловильним пристроєм на нижньому кінці для захвачування, від'єднання й вилучення долота при взаємодії з ним. Відомий пристрій призначений для закріплення тільки невеликої частини свердловини, оскільки обсадна колона труб, верхній кінець якої не виходить на поверхню до устя свердловини, опускається в свердловину на колоні бурильних труб. Крім того, при бурінні перемежованих порід із включеннями валунно-галькових відкладень передача від колони бурильних труб через багатопроменеву обсадну колону труб на долото значного осьового навантаження приводить до скручування обсадної колони по її променях, а значить до її поломки. Найбільш близьким аналогом заявленого винаходу є пристрій для буріння свердловини з одночасним кріпленням, що містить обсадну колону труб із внутрішнім виступом у нижній її частині, колону бурильних труб, заглибну ударну машину з обсадно-буровим інструментом, що містить місцеву циркуляційну систему енергоносія, кільцеву коронку з головним і хвостовим ступенями, останній з яких розміщений вільно в нижній частині обсадної колони труб, і центральне долото, установлене в заглибній ударній машині на торці хвостового ступеня кільцевої коронки, що оснащена муфтою, взаємодіючою із внутрішнім виступом обсадної колони труб і з'єднаною із центральним долотом за допомогою рухливого шліцьового з'єднання для передачі крутильного моменту від колони бурильних труб на кільцеву коронку, один 1 UA 102974 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 елемент якого розташований на колоні бурильних труб, а другий - на кільцевій коронці, при цьому місцева циркуляційна система енергоносія в обсадно-буровому інструменті виконана у вигляді промивного каналу й шламовідвідних каналів у центральному долоті, поздовжніх продувних пазів на внутрішній поверхні виступу обсадної колони труб і торцевих радіальних пазів на головному ступені кільцевої коронки, причому головний ступінь кільцевої коронки й привибійна частина центрального долота армовані породоруйнуючими елементами (RU 2338051 С1, кл. Е21В 7/20, опубл. 10.11.2008 р.). Відомий пристрій не забезпечує досягнення необхідного технічного результату з таких причин. У процесі експлуатації відомого пристрою не є можливим здійснити повноцінне промивання свердловини в зоні вибою кільцевої коронки. Це пояснюється тим, що при передачі ударних імпульсів кільцевій коронці при кожному ударному імпульсі перекривається прохід промивної рідини на вибій, що викликає різкі скачки тиску в колоні бурильних труб і може привести до поломки бурового насоса. Крім того, періодичне припинення промивання свердловини в момент передачі ударного імпульсу приводить до зашламування свердловини й, як наслідок, до припинення процесу буріння. Центральне долото конструктивно встановлене з відставанням його ріжучої поверхні від ріжучої поверхні кільцевої коронки, утворюючи між ними замкнутий простір, внаслідок чого при ударах по породі центральним долотом відбувається розтріскування породи в замкнутому просторі тіла кільцевої коронки, що приводить до заклинювання породи в тілі кільцевої коронки. Розтріскування породи в замкнутому просторі приводить до її ущільнення ударними імпульсами й перекриття проходу промивної рідини на вибій, що приводить до припинення виносу вибуреного шламу з вибою свердловини, а значить і до припинення процесу буріння. Використовувати відомий пристрій для буріння гірських порід із включеннями із твердих і міцних порід не є можливим, оскільки на кільцеву колонку передається тільки частина осьового навантаження у вигляді періодичних ударних імпульсів, тобто навантаження статично нерівномірне, тому при зустрічі твердого й міцного включення, першою контактує з ним кільцева коронка й через недостатнє осьове навантаження вона зупиняється, не руйнуючи вибій, перешкоджаючи опусканню обсадної колони труб. Крім того, руйнування вибою свердловини центральним долотом з відставанням його ріжучої поверхні від ріжучої поверхні кільцевої коронки приводить до необхідності збільшення маси центрального долота, ускладнює його конструктивне виконання й погіршує передачу ударних імпульсів кільцевій коронці. У відомому пристрої через конструктивні особливості виконання профілю ріжучої поверхні центрального долота не є можливим використовувати серійні долота як центральне долото, що руйнує основну частину вибою свердловини. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення пристрою для буріння свердловини з одночасним кріпленням, у якому за рахунок конструктивних особливостей забезпечується можливість буріння свердловини в породах будь-якої міцності, за рахунок руйнування більшої частини вибою центральним долотом серійного виготовлення з передачею йому основної частини осьового навантаження й спуску обсадної колони труб під її власною вагою, що запобігає самозаклинюванню породи й забезпечує повноцінне промивання свердловини з надійним виносом вибуреного шламу з вибою свердловини. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для буріння свердловини з її одночасним кріпленням, що містить обсадну колону труб з розміщеною в її нижній частині кільцевою коронкою, колону бурильних труб із установленим на ній центральним долотом, шліцьове з'єднання для передачі крутильного моменту від колони бурильних труб на кільцеву коронку, один елемент якого розташований на колоні бурильних труб, а другий - на кільцевій коронці, виконаний у центральному долоті промивний канал, і шламовідвідні канали, згідно винаходу він додатково оснащений елементом передачі осьового навантаження від колони бурильних труб на кільцеву коронку, виконаним у вигляді кільцевого виступу на елементі шліцьового з'єднання, розташованого на колоні бурильних труб, з можливістю контактування з верхньою поверхнею елемента шліцьового з'єднання, розташованого на кільцевій коронці, центральне долото встановлене з можливістю поздовжнього переміщення у бік ріжучої поверхні кільцевої коронки на відстань, рівну 1,0-2,0 від відстані між торцевою й ріжучою поверхнями кільцевої коронки, а один зі шламовідвідних каналів утворений зазором між елементами шліцьового з'єднання з поперечним перерізом, рівним 0,9-1,1 від внутрішнього поперечного перерізу колони бурильних труб, на якій установлений шламозбірник. 2 UA 102974 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлений пристрій для буріння свердловини з одночасним кріпленням; на фіг. 2 - положення пристрою в момент проходження твердих і міцних порід. Пристрій містить обертач 1 бурової установки, взаємозв'язаний з колоною 2 бурильних труб, на якій установлене центральне долото 3, нижній торець якого утворює ріжучу поверхню, обсадну колону 4 труб із установленим у її верхній частині трійником 5 для спрямування рідини, що виходить із свердловини у відстійник (на кресленні не показаний). У нижній частині обсадної колони 4 закріплений башмак 6, на якому на підшипнику 7 установлена кільцева коронка 8, бічна й торцева поверхні якої армовані ріжучими елементами, що утворюють ріжучу поверхню. Підшипник 7 передбачений для запобігання обертання обсадної колони 4 у процесі буріння. Для передачі крутильного моменту від колони 2 бурильних труб на кільцеву коронку 8 пристрій містить шліцьове з'єднання, один елемент якого виконаний у вигляді западини 9 на колоні бурильних труб, а другий - у вигляді виступу 10 на кільцевій коронці 8. Пристрій оснащений елементом передачі осьового навантаження від колони 2 бурильних труб на кільцеву коронку 8, виконаним у вигляді кільцевого виступу 11 на западині 9 шліцьового з'єднання, розташованого на колоні 2 бурильних труб, з можливістю контактування з верхньою поверхнею виступу 10 шліцьового з'єднання, розташованого на кільцевій коронці 8. Центральне долото 3 установлене з можливістю поздовжнього переміщення у бік ріжучої поверхні кільцевої коронки 8 на відстань, рівну 1,0-2,0 від відстані між торцевою й ріжучою поверхнями кільцевої коронки 8. У центральному долоті 3 є поздовжній промивний канал, а зазор між западиною 9 і виступом 10 шліцьового з'єднання утворюють шламовідвідний канал 12 з поперечним перерізом, рівним 0,9-1,1 від внутрішнього поперечного перерізу колони 2 бурильних труб. На колоні 2 бурильних труб установлений шламозбірник 13. Пристрій працює в такий спосіб. З поверхні буриться вертикальна свердловина 14 до покрівлі зони ускладнення, що має включення у вигляді твердих і міцних порід, з використанням колони 2 бурильних труб з видаленням вибуреного шламу промивною рідиною на поверхню. За 2-5 м від покрівлі зони ускладнення буріння припиняється. У свердловину 14 опускається колона 4 обсадних труб із башмаком 6, на якому на підшипнику 7 установлена кільцева коронка 8, і ріжуча поверхня кільцевої коронки 8 установлюється на вибій свердловини 14. Після спуска в свердловину 14 колони 4 обсадних труб, на її верхню частину нагвинчується трійник 5 для спрямування рідини, що виходить зі свердловини 14 у відстійник. Усередину колони 4 обсадних труб спускається колона 2 бурильних труб з виконаним кільцевим виступом 11, на якій установлені центральне долото 3 і шламозбірник 13, і виконана западина 9 шліцьового з'єднання. Після спуска колони 2 бурильних труб, ріжуча поверхня центрального долота З установлюється на вибій свердловини 14. Потім від обертача 1 бурової установки через колону 2 бурильних труб передається крутильний момент і осьове навантаження на центральне долото 3 і одночасно через шліцьове з'єднання крутильний момент передається кільцевій коронці 8. Осьове навантаження на кільцеву коронку 8 створюються вагою колони 4 обсадних труб, які в процесі буріння не обертаються. Таким чином, починається перебурювання зони ускладнення одночасно центральним долотом 3 і кільцевою коронкою 8. При бурінні м'яких порід центральне долото 3, руйнуючи більшу частину вибою, виступає щодо ріжучої поверхні кільцевої коронки 8 на відстань, рівну 1,0 від відстані між торцевою й ріжучою поверхнями кільцевої коронки, тобто ріжуча поверхня центрального долота не випереджає ріжучу поверхню кільцевої коронки 8. Таке рішення дозволяє здійснювати буріння в м'яких породах з руйнуванням більшої частини вибою центральним долотом 3 з передачею йому основної частини осьового навантаження, а спуск колони 4 обсадних труб відбувається під її власною вагою, оскільки кільцева коронка 8 бічною поверхнею розбурює свердловину 14 на величину, що трохи перевищує зовнішній діаметр колони 4 обсадних труб, тобто створюється зазор між зовнішньою поверхнею колони 4 обсадних труб і стінками свердловини, що не перешкоджає переміщенню колони донизу. При бурінні включень твердих і міцних порід (фіг. 2) центральне долото 3, одержуючи від колони 4 бурильних труб основну частину осьового навантаження, величина якого достатня для буріння твердих і міцних порід, руйнує породу на вибої свердловини й починає переміщатися донизу щодо ріжучої поверхні кільцевої коронки 8, що зупиняється, одержуючи тільки постійне 3 UA 102974 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 по величині осьове навантаження, рівне власній вазі колони 4 обсадних труб, недостатнє для перебурювання твердих і міцних порід кільцевою коронкою 8. Таке переміщення центрального долота 3 відбувається доти, поки його ріжуча поверхня не виступить щодо ріжучої поверхні кільцевої коронки 8 на відстань, рівну 2,0 від відстані між торцевою й ріжучою поверхнями кільцевої коронки 8, тобто ріжуча поверхня центрального долота 3 випереджає ріжучу поверхню кільцевої коронки 8. Після цього кільцевий виступ 11 починає контактувати з верхньою поверхнею виступу 10 шліцьового з'єднання, розташованого на кільцевій коронці 8, створюючи додаткове осьове навантаження від колони 2 бурильних труб на кільцеву коронку 8, величина якого стає достатньою для буріння твердих і міцних порід. Таким чином, при бурінні твердих і міцних порід осьове навантаження від колони 2 бурильних труб одночасно передається на центральне долото 3 і кільцеву коронку 8, що дозволяє руйнувати породу по всьому вибою свердловини. При цьому спуск колони 4 обсадних труб відбувається під її власною вагою, при зустрічі твердих і міцних порід відбувається автоматичний перерозподіл осьового навантаження зі збільшенням його значення на кільцеву коронку 8, що забезпечує руйнування породи по всьому вибої свердловини й просування донизу кільцевої коронки з колоною 4 обсадних труб і центральним долотом 3. У процесі буріння промивна рідина від наземного бурового насоса подається усередину колони 2 бурильних труб і через поздовжній промивний канал центрального долота 3 надходить на вибій свердловини 14. Обмиваючи вибій свердловини, промивна рідина разом з вибуреним шламом розділяється на два потоки. Один основний потік вільно проходить через шламовідвідний канал 12, утворений зазором між западиною 9 і виступом 10 шліцьового з'єднання з поперечним перерізом, рівним 0,9-1,1 від внутрішнього поперечного перерізу колони 2 бурильних труб. Далі цей потік проходить усередину колони 4 обсадних труб, минаючи шламозбірник 13, піднімається на поверхню й через трійник 2 виливається у відстійник, а в шламозбірнику 13 залишається вибурений шлам. Другий потік, обмиваючи ріжучу поверхню кільцевої коронки 8, надходить на поверхню по зазору між зовнішньою поверхнею колони 4 обсадних труб і стінками свердловини 14. Таким чином, використання пропонованого пристрою дозволяє розширити область його застосування, тобто буріння свердловин у породах різної міцності з одночасним кріпленням, оскільки конструктивні особливості пропонованого пристрою в сукупності з елементом передачі осьового навантаження на кільцеву коронку від колони бурильних труб у твердих і міцних породах, забезпечує можливість перерозподілу осьового навантаження в автоматичному режимі залежно від твердості порід. Установка центрального долота з можливістю поздовжнього переміщення у бік ріжучої поверхні кільцевої коронки дозволяє руйнувати породу різної міцності, а наявність шламозбірника й виконання шламовідвідного каналу зі збільшеним прохідним перерізом дозволяє виносити з вибою свердловини як дрібний шлам, що утворюється при бурінні твердих порід, так і великий шлам м'яких порід. Пропонований пристрій забезпечує можливість буріння свердловини в породах будь-якої міцності, за рахунок руйнування більшої частини вибою центральним долотом серійного виготовлення з передачею йому основної частини осьового навантаження й спуска обсадної колони труб під її власною вагою, що запобігає самозаклинюванню породи й забезпечує повноцінне промивання свердловини з надійним виносом вибуреного шламу з вибою свердловини. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 Пристрій для буріння свердловини з її одночасним кріпленням, що містить обсадну колону труб з розміщеною в її нижній частині кільцевою коронкою, колону бурильних труб із установленим на ній центральним долотом, шліцьове з'єднання для передачі крутильного моменту від колони бурильних труб на кільцеву коронку, один елемент якого розташований на колоні бурильних труб, а другий - на кільцевій коронці, виконаний у центральному долоті промивний канал, і шламовідвідні канали, який відрізняється тим, що він додатково оснащений елементом передачі осьового навантаження від колони бурильних труб на кільцеву коронку, виконаним у вигляді кільцевого виступу на елементі шліцьового з'єднання, розташованого на колоні бурильних труб, з можливістю контактування з верхньою поверхнею елемента шліцьового з'єднання, розташованого на кільцевій коронці, центральне долото встановлене з можливістю поздовжнього переміщення у бік ріжучої поверхні кільцевої коронки на відстань, рівну 1,0-2,0 від 4 UA 102974 C2 відстані між торцевою й ріжучою поверхнями кільцевої коронки, а один зі шламовідвідних каналів утворений зазором між елементами шліцьового з'єднання з поперечним перерізом, рівним 0,9-1,1 від внутрішнього поперечного перерізу колони бурильних труб, на якій установлений шламозбірник. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5