устройство для бурения скважин

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН, содержащее подвышечное основание со встроенным в нем клиновым механизмом удерживания буровой колонны, вышку, талевую подвеску, вертлюг с переводником, трубодержатель, вращатель труб с приводом вращения ствола вертлюга, элеватор, отличающееся тем, что оно снабжено нижней и верхней подвесками, жестко соединенными между собой посредством направляющих скалок, на которых с возможностью независимого вертикального перемещения установлены трубодержатель, вращатель труб с приводом вращения ствола вертлюга и вертлюг, при этом вертлюг установлен с возможностью горизонтального перемещения относительно оси устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элеватор шарнирно связан с нижней подвеской и выполнен со сменными опорными стаканами с клиньями удержания, которые сопряжены посредством рычагов с упорным кольцом, опирающимся на штоки гидроцилиндров, встроенных в корпус элеватора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью исключения резьбового соединения ствола вертлюга с буровой колонной и обеспечения герметизации указанного соединения при подаче раствора в буровую колонну, нижний торец переводника ствола вертлюга выполнен с кольцевой проточкой для размещения в последней уплотнительного кольца, а корпус вертлюга имеет горизонтальные расточки, в которых размещены гидроцилиндры фиксации корпуса вертлюга относительно корпуса вращателя, при этом головки штоков гидроцилиндров фиксации выполнены с возможностью взаимодействия с конусными проточками, выполненными на стойках корпуса вращателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения преимущественно нефтяных скважин и может быть использовано на существующих буровых установках, работающих как на море, так и на суше. Существующий в настоящее время на всех буровых установках способ бурения скважин включает в себя операции навинчивания или свинчивания ствола вертлюга или очередной буровой трубы (свечи) на буровую колонну или от колонны, находящейся в скважине и удерживаемой над ней клиновыми захватами ротора, и операции по передаче крутящего момента бурильной колонне при бурении скважины через ведущую трубу приводом ротора, установленного на рабочей площадке буровой установки.

Операции свинчивания или развинчивания ствола вертлюга или бурильной трубы (свечи) на буровую колонну или от колонны осуществляются с использованием специализированного бурового ключа, установленного на рабочей площадке буровой установки. Во всех случаях ствол вертлюга ввинчивается в муфту колонны и в дальнейшем воспринимает нагрузки от веса колонны при поднятых клиньях ротора.

Буровые установки для реализации существующего способа бурения скважины снабжены дополнительным комплексом бурового оборудования, основными из которых являются буровой ключ, ротор, специализированные ключи и приспособления для крепления колонн, ведущая труба.

Для удержания колонны над скважиной буровые установки снабжаются вертлюгами усиленной конструкции, предназначенными для удержания всей колонны.

В настоящее время в ряде стран (США, Норвегия, ФРГ, Франция) появились конструкции верхнеприводных бурильных систем [1, 2 и 3], в которых бурильное устройство содеpжит бурильный блок, содержащий роторный элемент с индивидуальным приводом вращения, встроенный в каретку, посредством которой бурильный блок перемещается в вертикальном положении параллельно оси вращения ротора. К бурильному блоку в его нижней части подвешен буровой ключ с двумя независимыми друг от друга секциями зажима труб и поворотный механизм с ручным элеватором. Операции навинчивания бурильных труб на колонну или свинчивания их с колонны с применением этих устройств остались прежними. Конструктивное решение [3] выбрано за прототип.

Недостатки известного способа и устройства заключаются в том, что они требуют:

- обязательной фиксации и закрепления буровой колонны над скважиной с соблюдением определенного расстояния верхнего торца муфты колонны от рабочей площадки;

- наличия специализированного бурового ключа в операциях навинчивания ствола вертлюга или труб на колонну или их свинчивания, что увеличивает время операций и снижает производительность строительства скважин.

При этом конструкция прототипа также обладает рядом недостатков, а именно:

- сложна и металлоемка, имеет увеличенные габариты по высоте из-за встройки в нее множества механизмов и элементов, сочлененных со стволом вертлюга;

- отсутствует возможность применения этих систем в существующих буровых установках отечественного производства, оснащенных комплексом механизмов спуско-подъема труб (КМСП);

- имеет ограниченный диапазон сортамента труб, применяемых при производстве скважин;

- отсутствует возможность подачи бурового раствора в буровую колонну без навинчивания ствола вертлюга в буровую колонну.

Предлагаемое устройство свободно от указанных недостатков. Это достигается тем, что устройство для бурения скважин (в дальнейшем верхнеприводная бурильная система) снабжено направляющими скалками, которые жестко соединяют автоматический элеватор с талевой подвеской и между которыми встроены с возможностью независимого вертикального перемещения по скалкам трубодержатель, вращатель труб с приводом вращения ствола вертлюга и вертлюг; при этом вертлюг установлен с возможностью и горизонтального перемещения, обеспечивая таким образом сохранность средств удержания трубы (колонны) на оси скважины и возможность выполнения спуско-подъемных операций по сборке или разборке бурильной колонны; в опорный стакан автоматического элеватора встроены подвижные клинья, соединенные через рычаги с опорным кольцом, сопряженным через подвижный стакан со штоками гидроцилиндров, встроенных в корпус элеватора, а уплотнительное кольцо встроено в кольцевую расточку нижнего торца переводника ствола вертлюга, посредством которого и гидрозажимов, встроенных в корпус вертлюга, нижний торец переводника плотно прилегает к верхнему торцу муфты буровой колонны, осуществляя герметизацию соединения ствола вертлюга с буровой колонной без их свинчивания.

Предлагаемая конструкция верхнеприводной буровой системы обеспечивает:

- проведение спуско-подъемных операций и бурения скважин с вращением или без вращения колонн с подачей промывочной жидкости под давлением;

- проведение спуско-подъемных операций с подачей промывочной жидкости в скважину без свинчивания ствола вертлюга с колонной;

- работу с использованием существующих талевых блоков, ручных и автоматических элеваторов, комплекса механизмов спуско-подъема труб.

На фиг. 1 представлено устройство, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид спереди; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1.

Устройство для бурения скважин (далее верхнеприводная бурильная система) состоит из нижней подвески 1, талевой подвески 2 и жестко скрепленных с ними направляющих скалок 3. Между подвеской 1 и талевой подвеской 2 встроены и имеют возможность вертикального перемещения трубодержатель 4, вращатель труб 5 с приводом вращения ствола (трубы) 6 и вертлюга 7, встроенного в горизонтальные направляющие 8 каретки 9. Каретка 9 снабжена гидроцилиндрами 10, посредством которых вертлюг 7 имеет возможность горизонтального перемещения по направляющим 8, и гидроцилиндрами 11 для вертикального перемещения кареток 9 с вертлюгом 7. В нижней части подвеска 1 имеет две проушины, к которым посредством осей 12 крепится элеватор 13.

Такое решение позволяет верхнеприводной бурильной системе при проведении операций бурения скважины или спуско-подъема в период осложнений и ликвидаций аварий иметь вертлюг на оси скважины с выполнением его функции, а в период проведения спуско-подъемных операций в нормальных условиях вертлюг находится в резервной позиции, обеспечивая, таким образом, свободный ввод (вывод) бурильной трубы (свечи) на ось скважины (из скважины) с использованием механизмов спуско-подъема труб.

Между вращателем труб 5 и каретками 9 на скалках 3 жестко закреплены два сегмента 14, имеющие поворотные тележки 15, на которые подвешиваются штропы 16 с гидроцилиндрами 17 отвода штроп. В нижней части к штропам 16 подвешиваются скобообразная траверса 18 с кольцевыми скобами 19 и ручной элеватор 20. Нижняя подвеска 1 и сегменты 14 имеют по два штыря 21, к которым прикреплена рама 22. На раме 22 установлены две автономные станции: одна 23 - для обеспечения управлением гидравлических механизмов верхнеприводной бурильной системы; другая 24 - для обеспечения охлаждения электродвигателей привода вращения ствола 6.

Нижняя подвеска 1 и основание вращателя труб 5 имеют по два роликовых блока 25, посредством которых крутящие моменты при свинчивании-развинчивании резьбовых соединений и при бурении скважины передаются подвеской кронблочной балке и упругой штанге 26, взаимно уничтожаются, исключая, таким образом, передачу крутящих моментов элементам мачты буровой установки.

На фиг.3 представлено расположение и показано взаимодействие узлов верхнеприводной бурильной системы.

Автоматический элеватор 13 снабжен опорным стаканом 22, во внутренние пазы которого встроены клинья 28. Сверху над стаканом 27 расположено кольцо 29, которое через стакан 30 опирается на штоки гидроцилиндров 31. Клинья 28 шарнирно соединены рычагами 32 с кольцом 29. Сверху над нижней подвеской 1 встроен трубодержатель 4, содержащий корпус 33, зубчатое колесо 34, две зубчатые рейки 35, копиры 36 и два гидроцилиндра зажима 37. В зубчатое колесо 34 встроены четыре рычажные системы 38, посредством которых при перемещении реек 35 гидроцилиндрами 37 рычаги 38, обкатывая копиры 36, замыкаются на муфте трубы. Подъем трубодержателя 4 осуществляется гидроцилиндрами 39. Над трубодержателем 4 установлен вращатель труб 5, подъем которого осуществляется посредством гидроцилиндров 40. Зажимное устройство вращателя труб 5 и принцип его действия аналогичен зажимному устройству трубодержателя 4.

Во внутреннюю полость вращателя труб 5 встроен вертлюг 7, в нижней части корпуса которого размещены четыре гидроцилиндра 41, штоки которых совмещены с конусообразными отверстиями стоек 42. При выдвижении штоков гидроцилиндров 41 его головки вводятся в расточки стоек 42, обеспечивая, таким образом, плотное прижатие вертлюга 7 к корпусу вращателя труб 5. Ствол вертлюга 7 имеет в нижней части резьбовую расточку, на которую навинчивается переводник 43, выполненный в свою очередь в двух вариантах.

По варианту I нижний торец переводника имеет резьбовую расточку, посредством которой он ввинчивается в муфту буровой колонны (трубы). По варианту II нижний конец переводника выполнен гладким, конусообразным, без резьбовой расточки и имеет в основании конусной поверхности (в торце утолщенной части) кольцеобразную расточку со встроенным в нее уплотнительным кольцом 44.

Использование предлагаемого устройства для бурения скважины позволяет упростить процесс бурения скважин, значительно повысить производительность в производстве скважин, а также улучшить эксплуатационные качества буровой установки, повысить надежность и ремонтопригодность, снизить энергоемкость, металлоемкость и себестоимость изготовления, уменьшить габариты по высоте и, как следствие, уменьшить высоту вышки.