лопастное колесо для удаления бурового шлама (варианты)

Формула изобретения

1. Лопастное колесо для удаления бурового шлама, содержащее корпус и множество выступающих от корпуса лопастей, отличающееся тем, что одна или несколько лопастей имеет выемку на ее передней поверхности в направлении вращения лопастного колеса.

2. Лопастное колесо по п. 1, отличающееся тем, что одна или несколько лопастей имеет, по существу, V-образную форму, а выемка содержит область, закрытую сторонами V-образной конфигурации.

3. Лопастное колесо по п. 2, отличающееся тем, что стороны V-образной конфигурации наклонены под углом примерно 30^o к продольной оси буровой трубы.

4. Лопастное колесо по п. 3, отличающееся тем, что стороны V-образной конфигурации выполнены в форме частичной винтовой левозаходной линии, соединенной с частичной винтовой правозаходной линией.

5. Лопастное колесо по п. 1, отличающееся тем, что выемка в каждой лопасти содержит углубление, выполненное на ее передней поверхности.

6. Лопастное колесо по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что оно содержит часть переходника буровой колонны.

7. Лопастное колесо по п. 6, отличающееся тем, что толщина стенки переходника уменьшена на одной или обеих сторонах лопастного колеса.

8. Лопастное колесо по любому из пп. в 1-7, отличающееся тем, что радиальная наружная поверхность каждой лопасти снабжена заменяемым изнашивающимся элементом.

9. Лопастное колесо по п. 8, отличающееся тем, что изнашивающимся элементом является нейлоновый вкладыш, вставленный в отверстие на радиальной наружной поверхности лопасти.

10. Лопастное колесо по п. 9, отличающееся тем, что нейлоновый вкладыш выполнен цилиндрическим и вставлен внутрь глухого отверстия в лопасти.

11. Лопастное колесо по п. 9, отличающееся тем, что изнашивающийся элемент размещен в пазе, проходящем через лопасть.

12. Лопастное колесо для удаления бурового шлама, содержащее корпус и множество выступающих от корпуса лопастей, отличающееся тем, что на радиальной наружной поверхности одной или нескольких лопастей расположены заменяемые изнашивающиеся элементы.

13. Лопастное колесо по п. 12, отличающееся тем, что изнашивающиеся элементы расположены на соответствующих лопастях, размещенных на одинаковом расстоянии вокруг периферии лопастного колеса.

14. Лопастное колесо по п. 13, отличающееся тем, что изнашивающиеся элементы размещены на противоположно расположенных парах лопастей.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области бурения, а более точно, к лопастному колесу для удаления бурового шлама.

Во время операций обычного бурения буровой раствор или другая буровая жидкость откачиваются из буровой колонны и удаляются с буровой коронки для подъема бурового шлама из ствола скважины.

Установлено, что при определенном угле отклонения в наклонном стволе буровой скважины некоторая часть бурового шлама, переносимая буровой жидкостью назад на поверхность, выпадает из основного потока и оседает в нижней части ствола буровой скважины. Этот буровой шлам мешает процессу бурения и особенно вращению вращающейся буровой трубы, которая также расположена в нижней части буровой скважины.

Поток возвращаемой буровой жидкости, несущий буровой шлам, является неравномерным по диаметру ствола буровой скважины. Поток в нижней части ствола буровой скважины является минимальным и способность буровой жидкости переносить шлам и твердые частицы снижается.

Как известно, для устранения этой проблемы устанавливают одно или несколько лопастных колес в буровой трубе для удаления бурового шлама. В Европейском патенте 0171335 раскрыто лопастное колесо, составляющее одно целое с отрезком буровой трубы и содержащее корпус, имеющий в центре продольное отверстие и множество лопастей в виде спиральных лопастей, выступающих радиально наружу от корпуса. Лопасти такого типа по профилю подобны тем лопастям, которые применяют на стабилизаторах во время бурения в нисходящих скважинах.

Так как лопастное колесо для удаления бурового шлама вращается с буровой трубой, то оно перемешивает осажденный буровой шлам и другие частицы, перемещая их вверх на путь главного потока буровой жидкости в верхней части буровой скважины. Хотя и было доказано, что эти инструменты являются достаточно эффективными, однако установлено, что они создают дополнительный крутящий момент в нисходящей скважине.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности удаления бурового шлама лопастным колесом.

Этот технический результат достигается тем, что в лопастном колесе для удаления бурового шлама, содержащем корпус и множество выступающих от корпуса лопастей, согласно изобретению, одна или несколько лопастей имеют выемку на своей передней поверхности в направлении вращения лопастного колеса.

Предпочтительно каждая лопасть имеет, по существу, V-образную форму, а выемка содержит область, закрытую сторонами V-образной конфигурации. Стороны V-образной конфигурации предпочтительно наклонены под углом между 10^o и 50^o. Более предпочтительно, чтобы стороны V-образной конфигурации были наклонены под углом примерно 30^o к продольной оси буровой трубы, и они могут представлять частично винтовую левозаходную линию, соединенную с частично винтовой правозаходной линией.

В другом варианте исполнения лопасти выполнены прямыми, а выемка в каждой лопасти имеет углубление, выполненное на передней поверхности лопасти. Каждая выемка имеет глубину предпочтительно от 6,4 мм до 51 мм.

Предпочтительно лопастное колесо для удаления бурового шлама содержит часть переходника буровой колонны. Толщина стенки этого переходника предпочтительно уменьшена на одной или обеих сторонах лопастного колеса. Эта часть уменьшенной толщины вмещает изгиб из-за высоких боковых сил, которые могут возникать на переходнике.

Размещение лопастного колеса для удаления бурового шлама на переходнике позволяет инструменту опускаться вместе с опорными устройствами или инструментами для уменьшения крутящего момента или непосредственно между ними. Это невозможно достичь с известным лопастным колесом, которое составляет единое целое с отрезком буровой трубы.

Радиально наружную поверхность одной или более лопастей можно снабдить заменяемыми изнашивающимися элементами. Эти изнашивающиеся элементы могут содержать нейлоновые вкладыши, вставляемые в отверстия на радиальных наружных поверхностях лопастей. Нейлоновые вкладыши могут быть выполнены цилиндрическими и вставлены внутрь глухих отверстий в лопастях. В другом варианте исполнения изнашивающимися элементами являются изнашивающиеся прокладки, вставленные внутрь пазов, проходящих через лопасти. Либо заменяемые изнашивающиеся элементы могут содержать элемент или элементы любой соответствующей формы или размера, которые можно применять для защиты лопастного колеса для удаления бурового шлама от истирания стенкой ствола буровой скважины и/или тех, которые уменьшают крутящий момент в нисходящей скважине.

Предпочтительно изнашивающиеся элементы занимают примерно 60% общей площади радиальной наружной поверхности каждой лопасти.

Выемка на каждой лопасти действует в качестве "ковша" для подъема бурового шлама и твердых частиц из нижней части буровой скважины в главный поток буровой жидкости в верхней части буровой скважины. Эффективность зависит от размера зазора между радиальными наружными поверхностями лопастей и стенкой буровой скважины, угла, образованного между сторонами V-образной конфигурации выемки и профиля выемки.

Указанный технический результат достигается также и тем, что в лопастном колесе для удаления бурового шлама, содержащем корпус и множество выступающих от корпуса лопастей, согласно изобретению, на радиальной наружной поверхности одной или нескольких лопастей расположены заменяемые изнашивающиеся элементы.

Предпочтительно заменяемые изнашивающиеся элементы расположены на соответствующих лопастях, размещенных на одинаковом расстоянии вокруг периферии лопастного рабочего колеса для обеспечения равномерной опоры в стволе буровой скважины. Например, их можно разместить на противоположно расположенных парах лопастей.

На буровой колонне можно установить множество лопастных рабочих колес для удаления бурового шлама. Лопастные колеса предпочтительно расположены на расстоянии 90-150 м.

Для лучшего понимания настоящее изобретение будет описано ниже на примере его выполнения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает продольный вид с частичным поперечным сечением переходника буровой колонны,

фиг. 2 боковой вид переходника, показанного на фиг. 1,

фиг. 3 поперечное сечение по линии III-III на фиг. 2,

фиг. 4 увеличенный вид лопасти, имеющей цилиндрические заменяемые изнашивающиеся элементы,

фиг. 5 второй вариант выполнения лопасти, имеющей квадратные заменяемые изнашивающиеся элементы,

фиг. 6 третий вариант выполнения лопасти с прямоугольными заменяемыми изнашивающимися элементами.

На фиг. 1 показан переходник 1 буровой колонны, содержащий полую цилиндрическую втулку 2, имеющую охватываемый соединитель или штырь 3 на одном конце и охватывающий соединитель или втулку 4 на другом конце. Лопастное колесо 5 для удаления бурового шлама выполнено за одно целое с втулкой 2 в промежуточной точке вдоль ее длины. На каждой стороне лопастного колеса 5 втулка 2 имеет уменьшенный наружный диаметр, который образует зоны 6, 7 изгиба, позволяющие переходнику 1 буровой колонны приспосабливаться к обратным изгибающим усилиям, возникающим, когда переходник 1 вращается по кривой отклоненной буровой скважины.

Как показано на фиг. 2 и 3, лопастное колесо 5 для удаления бурового шлама содержит, по существу, цилиндрический корпус 8, в котором выполнены пять, по существу, V-образных выемок 9. Каждая выемка 9 содержит тангенциальную нижнюю стенку 10 и радиально расположенную V-образную стенку 11. Угол D между V-образными сторонами стенки 11 предпочтительно равен 120^o.

Между соответствующими парами выемок 9 образованы соответствующие V-образные лопасти 12, имеющие радиальную наружную поверхность 13, которая расположена с некоторым зазором в стволе буровой скважины. Угол А между V-образной стенкой 11 и тангенциальной нижней стенкой 10 находится предпочтительно в пределах от 60^o до 120^o, а угол В между V-образной стенкой 11 и передней кромкой лопасти 12 находится предпочтительно в пределах между 120^o и 60^o. Угол С между тангенциальной нижней стенкой 10 и задней кромкой лопасти 12 должен быть всегда меньше угла В и предпочтительно между 20^o и 40^o. Таким образом V-образная стенка 11 представляет острую переднюю кромку, а выемки 9 расположены асимметрично, как это видно в поперечном сечении.

Фиг. 4 показывает другой вариант исполнения лопасти 12, которая снабжена множеством глухих отверстий 14. В каждом отверстии 14 расположены соответствующие цилиндрические заменяемые изнашивающиеся элементы 15, таким образом они выступают слегка от радиальной наружной поверхности 13 лопастей 12. Изнашивающиеся элементы 15 обеспечивают заменяемую опорную поверхность, которая защищает лопастное колесо 5 для удаления бурового шлама от истирания стенкой ствола буровой скважины и уменьшает крутящий момент в нисходящей скважине.

Фиг. 5 показывает другой вариант исполнения лопасти 12, снабженной выемками 16, в которых расположены квадратные заменяемые изнашивающиеся элементы 17.

Фиг. 6 показывает еще один вариант исполнения лопасти 12, в которой образованы поперечные пазы 18. В пазах 18 расположены прямоугольные заменяемые изнашивающиеся элементы 19, удерживаемые на месте клеем, винтами или любыми другими соответствующими крепежными средствами.

Заменяемые изнашивающиеся элементы 15, 17, 19 изготовлены предпочтительно из нейлона, но можно применять другой соответствующий материал и использовать любую форму изнашивающегося элемента.

При использовании переходник 1 буровой колонны устанавливается на буровую трубу и вращается в направлении стрелки R, показанной на фиг. 3, во время осуществления бурения. Во внутреннюю полость буровой трубы накачивают буровую жидкость, которая выбрасывается на буровую коронку, чтобы заставить буровой шлам и другие твердые частицы направляться вверх и выходить из буровой скважины.

Когда лопастное колесо 5 вращается, буровой шлам и другие твердые частицы, находящиеся в нижней части ствола буровой скважины, улавливаются радиально расположенными стенками 11 выемок 9 и направляются вверх в главный поток буровой жидкости, где они улавливаются потоком. Зоны 6, 7 являются зонами просвета для турбулентности, создаваемой лопастями 12 во время подъема пустой породы на высокую сторону буровой скважины. Таким образом ствол буровой скважины поддерживается в более чистом состоянии с меньшим скоплением пустой породы в нижней части ствола буровой скважины, следовательно, создается меньше трения при скольжении, когда буровая колонна поднимается или опускается.

Комбинация V-образной формы лопастей 12 и асимметричное поперечное сечение выемки 9 обеспечивают очень эффективный профиль лопасти, который улучшает сгребающее или накачивающее действие лопастного колеса.

В показанных вариантах исполнения лопасти 12 образованы между соответствующими парами выемок 9, а выемки, которые захватывают буровой шлам и другие твердые частицы, образованы между нижней стенкой 10 и радиально расположенной стенкой 11 соответствующих выемок 9. Однако подразумевается, что эти выемки могут содержать углубления, образованные на передней поверхности каждой лопасти 12, и, следовательно, сгребающее действие лопасти можно достичь с прямой лопастью или лопастью, которая имеет только однонаправленную винтовую линию при условии, что на передней поверхности этой лопасти выполнено соответствующее углубление.

Если лопасти 12 снабжены заменяемыми изнашивающимися элементами, которые можно заменять периодически, то срок службы лопастного колеса 5 для удаления бурового шлама значительно увеличивается. Кроме того, заменяемые изнашивающиеся элементы уменьшают сопротивление на стенках буровой скважины, тем самым уменьшая крутящий момент в нисходящей скважине.

Если лопастное колесо 5 для удаления бурового шлама установлено на коротком переходнике буровой колонны, то оно может вращаться вместе с опорными устройствами или инструментами для уменьшения крутящего момента или непосредственно между ними. Таким образом возможно дальнейшее уменьшение крутящего момента в нисходящей скважине. Однако лопастное колесо 5 можно также установить на отрезке буровой трубы, особенно если заменяемые изнашивающиеся элементы обеспечивают функцию уменьшения крутящего момента.

В варианте исполнения настоящего изобретения, который работает наиболее успешно, размеры, показанные на чертежах, являются следующими:

R1= 97,5 мм

R2= 67,3 мм

R3= 93,7 мм

R4= 41,2 мм

R5= 12,7 мм

R6= 84,7 мм

A= 90^o

Д= 120^o