устройство для бурения нефтяных, газовых или геотермальных скважин

Формула изобретения

1. Устройство для бурения нефтяных, газовых или геотермальных скважин, включающее установленную на колонне буровых штанг с приводом на устье скважины колонковую трубу с закрепленной на ней коронкой и размещенный коаксиально в полости колонковой трубы забойный гидравлический двигатель, имеющий корпус, статор и ротор с закрепленным на валу ротора центральным буровым инструментом, причем корпус двигателя зафиксирован от проворота относительно колонковой трубы, отличающееся тем, что корпус двигателя установлен в колонковой трубе с образованием между ними кольцевого зазора для промывочной жидкости и с возможностью ограниченного осевого перемещения на соединении в виде призматических шпонок, выполненном на корпусе двигателя и на колонковой трубе, при этом забойный двигатель подпружинен относительно колонковой трубы в направлении к колонне буровых штанг.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на внутренней поверхности колонковой трубы выше уровня размещения корпуса двигателя выполнен кольцевой бурт с образованием между ним и верхним торцом корпуса двигателя кольцевой дросселирующей щели, имеющей величину проходного сечения в зависимости от взаимного расположения колонковой трубы и забойного двигателя.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено обгонной муфтой, установленной между центральным буровым инструментом и колонковой трубой с возможностью осевого перемещения относительно центрального бурового инструмента и/или колонковой трубы и замыкания при уменьшении частоты вращения центрального бурового инструмента до частоты вращения колонковой трубы.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к устройству для бурения нефтяных, газовых или геотермальных скважин.

Известно устройство (см. например, патент США N 4862974), содержащее установленную на колонке буровых штанг с приводом на устье скважины колонковую трубу с закрепленной на ней коронкой и размещенный коаксиально в полости колонковой трубы забойный гидравлический двигатель. Этот двигатель имеет корпус, статор и ротор с закрепленным на валу ротора центральным буровым инструментом. Корпус двигателя зафиксирован от проворота относительно колонковой трубы. В этом устройстве комбинированное действие двух инструментов предусматривает использование энергии бурового раствора для увеличения полной энергии бурения, что необходимо для сохранения достаточной скорости подачи при увеличении диаметра скважины.

Это устройство позволяет центральному буровому инструменту вращаться с большей угловой скоростью чем коронка и получить таким образом более равномерное распределение линейных скоростей резания на большей части сечения пробуриваемой скважины.

В этих условиях распределение мощности оптимально лишь в единственном случае, когда пробуриваемый массив и условия резания, для обоих инструментов таковы, что скорости подачи, развиваемые каждым из них были бы одинаковые если бы они действовали раздельно.

При всяком отклонении от этой идеальной ситуации ухудшается мгновенное распределение мощности, а ожидаемые преимущества в своем конкретном выражении оказываются сомнительными. Техническим результатом настоящего изобретения является устранение этого недостатка. Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для бурения нефтяных, газовых или геотермальных скважин, включающее установленную на колонне буровых штанг с приводом на устье скважины колонковую трубу с закрепленной на ней коронкой и размещенный коаксиально в полости колонковой трубы забоины гидравлический двигатель, имеющий корпус, статор и ротор с закрепленным на валу ротора центральным буровым инструментом, причем корпус двигателя зафиксирован от проворота относительно колонковой трубы, согласно изобретению корпус двигателя установлен в колонковой трубе с образованием между ними кольцевого зазора для промывочной жидкости и возможностью ограниченного осевого перемещения на соединении в виде призматических шпонок, выполненном на корпусе двигателя и на колонковой трубе, при этом забойный двигатель подпружинен относительно колонковой трубы в направлении к колонне буровых штанг.

Для повышения эффективности этой системы, на внутренней поверхности колонковой трубы выше уровня размещения корпуса двигателя выполнен кольцевой бурт с образованием между ним и верхним торцом корпуса двигателя кольцевой дросселирующей щели, имеющей величину проходного сечения в зависимости от взаимного расположения колонковой трубы и забойного двигателя.

Через указанную щель отводится переменная часть потока бурового раствора, не попадающая таким образом, во впускное отверстие забойного гидравлического двигателя.

В буровом устройстве дросселирующая щель меняется так, что поток бурового раствора, попадающий в двигатель, увеличивается, когда осевое перемещение статора относительно колонковой трубы происходит в направлении сжатия пружины и наоборот.

Наконец, чтобы избежать такого положения, когда двигатель начинает работать в режиме насоса, если по какой либо причине скорость вращения центрального бурового инструмента падает до величины, меньшей чем скорость вращения колонки, устройство снабжено обгонной муфтой, установленной между центральным буровым инструментом и колонковой трубой с возможностью осевого перемещения относительно центрального бурового инструмента и/или колонковой трубы и замыкания при уменьшении частоты вращения центрального бурового инструмента до частоты вращения колонковой трубы.

Устройство для бурения согласно изобретению обладает следующими преимуществами:

оно предусматривает равные в среднем скорости подачи обоих инструментов вместо не всегда желательного равенства мгновенных скоростей подачи;

оно осуществляет автоматически, на две скважины, изменение заданных условий резания, задаваемых каждому из буровых инструментов в зависимости от изменений сопротивления массива, обеспечивая таким образом при любых обстоятельствах соответствующее мгновенное распределение имеющейся мощности; так, когда центральный буровой инструмент начинает запаздывать в движении подачи и его вращение начинает тормозиться, пружина увеличивает нагрузку на центральный буровой инструмент, разгружая одновременно коронку, в то же время дросселирование потока бурового раствора с помощью дросселирующей щели увеличивает имеющуюся гидравлическую мощность забойного гидравлического двигателя: это позволяет двигателю развивать больший вращающий момент и всему устройству гибко реагировать на замедление центрального бурового инструмента,

оно позволяет автоматически жестко соединить оба вращающиеся инструмента не прерывая бурения, когда по какой-либо причине забойный гидравлический двигатель останавливается или не имеет больше нужной мощности для нормальной работы устройства.

Ниже представлено описание конкретного примера выполнения устройства для бурения согласно изобретению со ссылками на фигуры, на которых:

фиг. 1 представляет устройство для бурения согласно изобретению с разрезом вдоль продольной оси;

фиг. 2 представляет в увеличенном масштабе частичный разрез по А-А фиг. 1 (двигатель показан сверху без разреза);

фиг. 3 часть устройства, показанного на фиг. 1 в увеличенном масштабе.

Устройство для бурения нефтяных, газовых и геотермальных скважин содержит установленную на колонке 1 буровых штанг с приводом на устье скважины колонковую трубу 2 с закрепленной на ней коронкой 3. Колонковая труба 2 состоит из двух частей, собранных с помощью конической резьбы 4. В полости колонковой трубы 2 размещен коаксиально с ней забойный гидравлический двигатель, имеющий корпус 5, статор 6 и ротор 7.

На валу ротора 7 закреплен центральный буровой инструмент 8. Корпус 5 двигателя зафиксирован от проворота относительно колонковой трубы 2. Он установлен в колонковой трубе 2 с образованием между ними кольцевого зазора 9 для промывочной жидкости и с возможностью ограниченного осевого перемещения на соединении в виде призматических шпонок 10, выполненном на корпусе 5 двигателя и на колонковой трубе 2.

Это соединение выполнено в виде паза с четырьмя зубцами 11 на статоре 6, входящими в пазы между зубцами 12 колонковой трубы 2.

Выступы 13 статора 6 имеют опорные поверхности 14, которые вместе с опорными поверхностями 15 выступов 16 колонковой трубы 2 могут составлять упор, позволяющий извлекать устройство из скважины без потери одной из частей.

Забойный двигатель подпружинен относительно колонковой трубы 2 в направлении к колонке 1 буровых штанг посредством пружины 17.

На внутренней поверхности колонковой трубы 2 выше уровня размещения корпуса 5 двигателя выполнен кольцевой бурт 18 с образованием между ним и верхним торцом корпуса 5 двигателя кольцевой дросселирующей щели 19, имеющей величину проходного сечения в зависимости от взаимного расположения колонковой трубы 2 и забойного двигателя.

Щель 19, через которую протекает буровой раствор, отводимый от впускного отверстия 20 погружного двигателя, дросселируется статором 6 двигателя, когда он сжимает пружину 17 так, что при этом увеличивается расход бурового раствора, попадающего в двигатель через его впускное отверстие 20.

Буровой раствор прошедший через щель 19, циркулирует в кольцевом зазоре 9 между колонковой трубой 2 и статором 6 забойного гидравлического двигателя, проходит сквозь отверстия 21, представляющие собой постоянные гидравлические сопротивления, затем проходит сквозь коронку 3 и выходит в скважину через отверстия 22, выполненные в корпусе коронки 3.

Поток бурового раствора, попавший в двигатель через отверстие 20, проходит сквозь двигатель, отдавая ему часть энергии и выходит в скважину через отверстия 23, выполненные в центральном буровом инструменте 8.

Устройство для бурения снабжено обгонной муфтой 24, установленной между центральным буровым инструментом 8 и колонковой трубой 2 с возможностью осевого перемещения относительно бурового инструмента 8 и/или колонковой трубы 2 и замыкания при уменьшении частоты вращения инструмента 8 до частоты вращения колонковой трубы 2.