Вибійний буровий снаряд

Реферат: Вибійний буровий снаряд складається з корпусу, обертача у вигляді гідромотора й долота на ньому, напірний механізм у вигляді гідродомкратів, комунікацій з трубопроводів і кабелів, Снаряд оснащено напірно-крокуючим пристроєм і розчинопроводом, виконаним як несучий гнучкий рукав і закріпленим на поверхні до підйомного пристрою, а в вибої - на корпусі снаряда. Статором для гідромотора служить корпус снаряда, на шліцах якого встановлено напірнокрокуючий пристрій з блоком гідророзподільників і системою підземної навігації. Забезпечується можливість буріння свердловин довільного нахилу і кривизни, широке регулювання обертів долота, розширення діапазону діаметрів свердловин і збільшення їх глибини, регульоване навантаження на долото в процесі буріння, простота та оперативність вилучення, заміни та встановлення долота у свердловину. UA 108424 C2 (12) UA 108424 C2 UA 108424 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до гірничої справи і призначено для буріння свердловин і гірничих виробок в будь-яких породах. Винахід може бути використано в нафтогазовій промисловості, геологорозвідці, підземному і геотехнічних будівництві, при видобутку корисних копалин. При бурінні свердловин різного призначення знаходять застосування ряд способів і пристроїв, що мають на меті прискорення буріння і зниження його вартості шляхом використання вибійних бурових снарядів різної конструкції. Так, наприклад, відомо пристрій, розміщений над долотом для його осьового навантаження за рахунок перепаду тиску на поршні [Патент РФ № 2310734, М. Кл. 3 Е21В 19/086. Опубл. 20.11.2007]. Недоліком аналога є неможливість регулювання навантаження на долото в процесі буріння, буріння тільки прямолінійних свердловин, необхідність використання бурової колони. Відомий електромеханічний колонковий буровий снаряд, що містить обертач у вигляді заглибленого електродвигуна з системою управління, ротор якого з'єднано з долотом у вигляді коронки, статор, з'єднаний з верхньою буровою трубою [Патент РФ № 2337225, М. Кл. 3 Е21В4 / 04. Опубл. 27. 008]. До недоліків цього бурового снаряду можна віднести необхідність використання бурової колони, потреба у силовому електропостачанні і редукторі, обмежений діаметр свердловини, буріння тільки прямолінійних свердловин, складність зміни напірних зусиль на вибій, неможливість регулювання навантаження на долото в процесі буріння. Відомий механізм подачі на вибій, що примикає до низу бурової колони, який включає в себе бурову колону, долото, гвинтовий вибійний двигун і телескопічну систему, що складається з циліндра з отворами і поршня, з'єднаного з корпусом двигуна [Патент РФ № 2164582, М. кл. 3 Е21В 7/08, Е21В 19/08. Опубл. 27.03.2001]. Цьому відомому технічному рішенню притаманні такі недоліки: наявність бурової колони як обов'язкового атрибуту буріння, обмежені функціональні можливості через складність зміни напрямку траси буріння, складність регулювання навантаження на долото в процесі буріння і обмеженість максимального навантаження, значні витрати часу на спуско-підйомні операції. Найбільш близьким за технічною суттю і ефективністю є буровий снаряд, який містить бурове долото, обертач для створення обертального зусилля, редукторний механізм, з'єднаний з приводною установкою і з буровим долотом і розміщений в корпусі приводний вал для передачі буровому долоту обертального зусилля через редукторний механізм, і опорний механізм, який має опорний вузол, що включає підшипники [Патент РФ № 2405904, М. Кл. 3 Е21В 4/02. Опубл. 2.2010]. Недоліки найближчого аналога полягають у тому, що його робота неможлива без бурової колони, його напірне зусилля на вибій обмежено і малокеровано, моторесурс обмежено терміном роботи пневмоударніков, малий діаметр свердловини і обмеженість її глибини, складність буріння криволінійних і похилих свердловин, труднощі регулювання навантаження на долото в процесі буріння. Задача винаходу є підвищення ефективності та розширення функціональних можливостей бурового снаряду, буріння свердловин довільного нахилу і кривизни, забезпечення широкого регулювання обертів долота, розширення діапазону діаметрів свердловин і збільшення їх глибини, забезпечення регульованого навантаження на долото в процесі буріння, простоти та оперативності підйому, заміни та встановлення долота, зменшення вартості і підвищення швидкості буріння. Ця технічна задача вирішується тим, що вибійний буровий снаряд, який містить корпус, обертач у вигляді гідромотора й долота на ньому, блоку гідророзподільників з підземною системою навігації, напірного механізму у вигляді гідродомкратів, комунікацій з трубопроводів і кабелів, що його оснащено напірно-крокуючим пристроєм і розчинопроводом, виконаним як несучий гнучкий рукав і закріпленим на поверхні до підіймального пристрою, а в вибої - на корпусі снаряда, при цьому статором для гідромотора служить корпус снаряда, на шліцах якого встановлено напірно-крокуючий пристрій з блоком гідророзподільників та системою підземної навігації. Крім того доцільно, щоб напірно-крокуючий пристрій було встановлено за напірним фланцем корпусу снаряда і оснащено двома кільцевими радіальними гідродомкратами, один з яких фіксуючий, а другий - крокуючий, причому вони пов'язані між собою двоходовим аксіальнонапірним гідродомкратом. Крім того доцільно, щоб крокуючий і фіксуючий гідродомкрати було виконано чотирьохсекційними і забезпечено вікнами для комунікацій, а поршні гідродомкратів виконано з рельєфною опорною поверхнею. Крім того доцільно, щоб гідромотор включав ротор, розміщений на корпусі снаряду, до якого з одного боку через напірний фланець примикає фіксуючий гідродомкрат напірно-крокуючого 1 UA 108424 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 пристрою, а з іншого боку - зовнішній корпус гідромотору, який через напірний підшипник взаємодіє зі шпинделем ротора, на якому нерухомо закріплено долото. Крім того доцільно, щоб гнучкий несучий розчинопровід з вхідним штуцером був закріплений на корпусі снаряда, а всередині корпусу з'єднано шарнірним штуцером з хвостовиком долота, причому шпиндель ротора і вхідний штуцер на корпусі снаряда забезпечено шламовими вікнами. Крім того доцільно, щоб гідромагістралі робочої рідини і кабелі управління були пропущені по свердловині поруч з гнучким рукавом розчинопроводу і приєднано через вхідний штуцер до блоку гідророзподільників та системи підземної навігації, а далі через вікна для комунікацій в радіальних гідродомкратах до напірно-крокуючого пристрою і гідромотору. Крім того доцільно, щоб зазори між зовнішньою поверхнею снаряда і стінками свердловини було ущільнено кільцевими ущільнювачами, які виконано як пружні дротові щітки. Технічна суть і принцип дії запропонованого бурового снаряда пояснюється кресленнями, на яких зображено: на Фіг. 1 поздовжній розріз, головний вигляд; на Фіг. 2 - розгортка А-А на Фіг. 1; на Фіг. 3 - розгортка В-В на Фіг. 1; на Фіг. 4 - вирив I на Фіг. 1. Вибійний буровий снаряд містить долото 1 (у вигляді шарошки, коронки, різця та ін.), що складається з руйнуючого інструменту 1.1 і хвостовика 1.2. Корпус 2 снаряду є статором гідромотора 3, на ньому встановлено напірно-крокуючий пристрій 4 і блок 5 гідророзподільників з системою підземної навігації. На корпусі 2 снаряда з напірним фланцем 2.2 розміщено на шліцах 2.1 напірно-крокуючий пристрій 4. У внутрішній трубі 2.3 корпусу 2 снаряда розташовано розчинопровід 6, навколо якого є кільцева порожнина 7 для виходу бурового шламу. На внутрішній різьбі 2.4 встановлено шарнірний штуцер 8, а на зовнішній різі 2.5 в кінці корпусу 2 снаряда закріплено вхідний штуцер 9. Гідромотор 3 (наприклад об'ємний гідромотор аксіальний гармонічний згідно з патентом на винахід № UA 102967 від 27.08.2013, Бюл. № 16) містить ротор 3.1 і корпус 3.2, який з'єднано із напірним фланцем 2.2 корпусу 2 снаряда. З іншого боку корпусу 3.2 гідромотора встановлено напірний підшипник 3.3, який взаємодіє зі шпинделем 3.4 ротора 3.1. Долото 1 своїм хвостовиком 1.2 нерухомо закріплено на шпинделі 3.4. Напірно-крокуючий пристрій 4 забезпечено двома кільцевими радіальними гідродомкратами: фіксуючим 4.1 і крокуючим 4.2, які виконані чотирьохсекційними, а поршні 4.3 гідродомкратів виконані з рельєфною опорною поверхнею 4.4. Радіальні гідродомкрати 4.1 та 4.2 пов'язані між собою двоходовим аксіально-напірним гідродомкратом 4.5 з двома кільцевими камерами: напірною 4.6 та штоковою 4.7. Гідроциліндр 4.8 гідродомкрата 4.5 є продовженням гідродомкрата 4.1, а поршень 4.9 з штоком 4.10 з'єднано заодно з гідродомкратом 4.2. Робочі камери всіх гідродомкратів підключено до електрогідроклапанів блока 5 гідророзподільників та системи підземної навігації через вікна 4.11 для комунікацій. Блок 5 підключено до гідромагістралей 5.1 робочої рідини і кабелів управління 5.2, які пропущені з поверхні поруч з гнучким несучим рукавом 6.1 розчинопроводу 6 (який може бути виконано наприклад з кевлару). Його закріплено на вхідному штуцері 9 і з'єднано з внутрішнім трубопроводом 6.2 в середині корпусу 2 снаряда на шарнірному штуцері 8. Останній шарнірно закріплено на хвостовику долота 1.2, а внутрішньою різзю 2.4 - на корпусі 2 снаряда. Кільцева порожнина 7 для виходу бурового шламу проходить між зовнішньою поверхнею розчинопроводу 6.2 і внутрішньою поверхнею 2.6 корпусу 2 снаряда. Шпиндель ротора 3.4 і вхідний штуцер 9 забезпечено шламовими вікнами 3.5 і 9.1. Зазори 10 між зовнішніми поверхнями бурового снаряда і стінками свердловини ущільнені кільцевими ущільнювачами, які відповідно встановлено на початку корпусу гідромотора 3.2 і в кінці блоку 5 гідророзподільників та системи підземної навігації. Ущільнювачі виконано у вигляді пружних дротових щіток. Вибійний буровий снаряд працює так. Буровий розчин з поверхні надходить в вибій свердловини через гнучкий рукав 6.1 (наприклад, з кевлару) по внутрішніх каналах долота 1 до руйнуючого інструменту 1.1. Буровий шлам з вибою виходить через отвори 3.5 в шпинделі 3.4, а потім через порожнину 7 в корпусі снаряда 2 і вікна 9.1 у вхідному штуцері 9 в свердловину вище бурового снаряда. При бурінні долото 1 заглиблюється в породу під дією аксіального напірного зусилля від напірно-крокуючого пристрою 4 і одночасно обертається від гідромотора 3. Робота напірно-крокуючого пристрою 4 складається з циклів напору на вибій і повернення у вихідне положення. Цикл напору полягає в притисканні долота 1 до вибою. Напірне зусилля створює робоча рідина, яка через гідромагістралі 5.1 і блок 5 надходить під поршні 4.3 кожній секції крокуючого гідродомкрата 4.2 і розпирає їх у бокові стінки свердловини. Після цього 2 UA 108424 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 робоча рідина надходить у камеру 4.6 аксіально-напірного гідродомкрата 4.5 і створює напірне зусилля на долото 1 через фланець 2.2, підшипник 3.3 і шпиндель 3.4 ротора 3.1. Гідромотор 3, включається тільки протягом напірного циклу роботи напірно-крокуючого пристрою. При цьому буровий снаряд руйнує породу вибою і зміщується вперед аж до кінця ходу поршня 4.9 аксіально-напірного гідродомкрата 4.5. Після цього напірний цикл завершено. Для початку нового напірного циклу відбувається переміщення поршня 4.9 аксіальнонапірного гідродомкрата 4.5 у вихідне положення. При цьому робоча рідина надходить під поршні 4.3 фіксуючого радіального гідродомкрата 4.1 і розпирає їх у бокові стінки свердловини. Потім робоча рідина надходить під поршень 4.9 штоку 4.10 і повертає їх у вихідне положення. При цьому ротор 3.1 гідромотору 3 відключено, тобто він не обертається. Цим цикл повернення завершено. При бурінні цикли роботи напірно-крокуючого пристрою 4 повторюються. За допомогою гідромотора 3 можна створювати різні режими роботи вибійного бурового снаряду: обертальний, імпульсно-обертальний і ударно-поворотний. Зміну напрямку свердловини здійснюють шляхом повороту бурового снаряду в просторі за рахунок перерозподілу тиску робочої рідини під поршнями напірного аксіального гідродомкрата 4.4. Контроль положення в просторі і керування руху бурового снаряда здійснюють за допомогою системи підземної навігації. Буровий снаряд витягують з свердловини підйомним пристроєм на поверхні за гнучкий несучий розчинопровід 6. Конструктивні відмінності запропонованого бурового снаряду, його компактність і широкі функціональні можливості забезпечують високу швидкість буріння свердловини (до 8-10 м/годину і більше), розширення діапазону діаметрів свердловини (від 70 до 1000 мм) та її нахилу (± 90°, в тому числі і для буріння уверх), велику глибину буріння (до 4-5 км) і широке варіювання напрямку траси буріння і зміни просторової кривизни свердловини (менше 20-30 її діаметрів). Відмінні ознаки винаходу дають наступні його переваги перед існуючими аналогами: Завдяки тому, що вибійний буровий снаряд забезпечено напірно-крокуючим пристроєм, який встановлено за напірним фланцем корпусу снаряда і який має два кільцевих радіальних гідродомкрата, один з яких фіксуючий, а другий крокуючий, причому вони пов'язані між собою двоходовим аксіально-напірним гідродомкратом, досягається значне спрощення передачі високого напірного зусилля на долото, управління напірним зусиллям і його перерозподіл на вибій в залежності від необхідної кривизни свердловини, можливість роботи снаряда в різноманітних режимах руйнування порід (обертальний, обертально-імпульсний і ударноповоротний), що дозволяє відмовитися від функції створення напірного зусилля, яку зазвичай виконує бурова колона, і, в підсумку, істотно підвищити швидкість буріння і знизити вартість і масу бурового обладнання. Завдяки тому, що розчинопровід виконано як несучий гнучкий рукав і закріплено на поверхні до підіймального пристрою, повністю усунені складні системи жорстких колон труб для подачі бурового розчину і разом з буровою вишкою на поверхні, скорочено час на облаштування бурового господарства на поверхні, виключені втрати часу на спуск-підйом і роз'єднання труб в буровій колоні, спрощено бурове обладнання і технологія проходки свердловини, збільшено глибину буріння, що призводить до значного зростанню технічної та комерційної швидкості проходки свердловини і зниження її вартості. Завдяки тому, що статором для гідромотора служить корпус снаряду, на шліцах якого встановлено напірно-крокуючий пристрій за напірним фланцем корпусу снаряда з блоком гідророзподільників та системою підземної навігації, досягається простота передачі обертального моменту від гідромотора на долото, модульність і висока уніфікація конструкції вибійного бурового снаряду. Завдяки тому, що крокуючий і фіксуючий гідродомкрати напірно-крокуючого пристрою виконано чотирьохсекційними з вікнами для комунікацій, а поршні гідродомкратів виконано з рельєфною опорною поверхнею, досягається можливість зміни траси свердловини в будь-якому напрямку підземного простору навіть з високою кривизною повороту, простота комутаційної схеми управління гідродомкратами, мінімізація габаритних розмірів бурового снаряду, при цьому рельєфна опорна поверхня дозволяє забезпечити високе зчеплення корпусу зі боковими стінками свердловини при помірних розпірних зусиллях. Завдяки тому, що гідромотор включає ротор, розміщений на корпусі снаряда, до якого з одного боку через напірний фланець примикає фіксуючий гідродомкрат напірно-крокуючого пристрою, а з іншого боку зовнішній корпус гідромотора через напірний підшипник взаємодіє зі шпинделем ротора, на якому нерухомо закріплено долото, досягається безпосереднє примикання долота до ротора гідромотора, гранична компактність конструкції, відмова від редуктора і простота регулювання частоти обертання і крутного моменту на долоті. 3 UA 108424 C2 5 10 15 20 Завдяки тому, що гнучкий несучий розчинопровід з вхідним штуцером закріплено на корпусі снаряда, а далі всередині корпусу з'єднано шарнірним штуцером з хвостовиком долота, причому шпиндель ротора і вхідний штуцер на корпусі снаряда забезпечено шламовими вікнами, досягається простота подачі бурового розчину в вибій свердловини, високий ступінь очищення вибою і винесення бурового шламу при мінімальному гідравлічному опорі, охолодження гідромотора і напірно-крокуючого пристрою, відсутність розмиву бічних стінок свердловини. Завдяки тому, що гідромагістралі робочої рідини і кабелі управління пропущено по свердловині поруч з гнучким рукавом розчинопроводу і приєднано через вхідний штуцер до блоку гідророзподільників та системи підземної навігації, а далі через вікна для комунікацій у радіальних гідродомкратів до напірно-крокуючого пристрою і гідромотору, забезпечено значне спрощення під'єднання магістралей для бурового розчину, робочої рідини і кабелів управління від гирла свердловини до бурового снаряду і комутації їх в конструкції. Завдяки тому, що зазори між зовнішньою поверхнею снаряда і стінками свердловини ущільнені кільцевими ущільнювачами, які виконано у вигляді пружних дротових щіток, усунено засмічення цього зазору буровим шламом, можливість заклинювання корпусу, спрощено швидке вилучення снаряда з свердловини. Таким чином, виконано поставлену задачу щодо підвищення ефективності та розширення функціональних можливостей бурового снаряду, зменшення вартості і підвищення швидкості буріння свердловин за рахунок відмови від колони бурових труб і бурової вишки, переходу на гнучкий розчинопровід. Тим самим досягається забезпечення широкого регулювання обертів долота, розширення діапазону діаметрів свердловин і збільшення їх глибини, регульоване навантаження на долото в процесі буріння, простота та оперативність вилучення, заміни та встановлення долота. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 1. Вибійний буровий снаряд, який складається з корпусу, обертача у вигляді гідромотора й долота на ньому, блоку гідророзподільників, напірний механізм у вигляді гідродомкратів, комунікацій з трубопроводів і кабелів, який відрізняється тим, що його оснащено напірнокрокуючим пристроєм і розчинопроводом, виконаним як несучий гнучкий рукав і закріпленим на поверхні до підйомного пристрою, а в вибої - на корпусі снаряда, при цьому статором для гідромотора служить корпус снаряда, на шліцах якого встановлено напірно-крокуючий пристрій з блоком гідророзподільників і системою підземної навігації. 2. Пристрійза п. 1, який відрізняється тим, що напірно-крокуючий пристрій встановлено за напірним фланцем корпусу снаряда і оснащено двома кільцевими радіальними гідродомкратами, один з яких фіксуючий, а другий - крокуючий, причому вони з'єднані між собою двоходовим аксіально-напірним гідродомкратом. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що крокуючий і фіксуючий гідродомкрати виконано чотирисекційними і забезпечено вікнами для комунікацій, а поршні гідродомкратів виконано з рельєфною опорною поверхнею. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що гідромотор включає ротор, розміщений на корпусі снаряда, до якого з одного боку через напірний фланець примикає фіксуючий гідродомкрат напірно-крокуючого пристрою, а з іншого боку зовнішній корпус гідромотору через напірний підшипник взаємодіє зі шпинделем ротора, на якому нерухомо закріплено долото. 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що гнучкий несучий розчинопровід з вхідним штуцером закріплено на корпусі снаряда, а далі всередині корпусу з'єднано шарнірним штуцером з хвостовиком долота, причому шпиндель ротора і вхідний штуцер на корпусі снаряда забезпечено шламовими вікнами. 6. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що гідромагістралі робочої рідини і кабелі управління пропущені по свердловині поруч з гнучким рукавом розчинопроводу і приєднано через вхідний штуцер до блока гідророзподільників і системи підземної навігації, а далі через вікна для комунікацій в радіальних гідродомкратах до напірно-крокуючого пристрою і гідромотору. 7. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що зазори між зовнішньою поверхнею снаряда і стінками свердловини ущільнені кільцевими ущільнювачами, які виконано як пружні дротові щітки. 4 UA 108424 C2 5 UA 108424 C2 6 UA 108424 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7