устройство для бурения скважин забойным гидравлическим двигателем

Формула изобретения

1. Устройство для бурения скважин забойным гидравлическим двигателем, включающее забойный гидравлический двигатель, гидравлический нагружатель, установленный между забойным гидравлическим двигателем и бурильной колонной, состоящий из соединенного с бурильной колонной цилиндра и расположенного внутри цилиндра рабочего поршня, связанного с корпусом забойного гидравлического двигателя, и механизма передачи реактивного момента забойного гидравлического двигателя на бурильную колонну, отличающееся тем, что рабочий поршень выполнен с полыми верхним и нижним штоками, при этом полым нижним штоком он связан с корпусом забойного гидравлического двигателя, а внутри цилиндра выполнен упор, образующий с рабочим поршнем, нижним штоком и расточкой, выполненной в цилиндре, кольцевую камеру, причем в верхней части нижнего полого штока выполнены отверстия, а в его нижней части для сообщения внутренней полости штока с забойным гидравлическим двигателем установлен нормально открытый циркуляционный клапан, при этом кольцевая камера выполнена с возможностью сообщения с затрубным пространством посредством предохранительного клапана, установленного в корпусе цилиндра.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм передачи реактивного момента забойного гидравлического двигателя на бурильную колонну расположен в верхней части верхнего полого штока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике бурения нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в компоновке низа бурильной колонны, предназначенной для забойных гидравлических двигателей.

Известна компоновка забойного двигателя, которая спускается в скважину на колонне бурильных труб (см. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели. - М.: Недра, 1999, с. 302-310). В этой компоновке нагрузка на долото осуществляется весом бурильных труб.

Ближайшим техническим решением, выбранным авторами за прототип, является устройство для бурения скважин забойным гидравлическим двигателем, включающее забойный гидравлический двигатель и гидравлический нагружатель, установленный между забойным гидравлическим двигателем и бурильной колонной и состоящий из соединенного с бурильной колонной цилиндра и расположенного внутри цилиндра рабочего поршня, связанного с корпусом забойного гидравлического двигателя, и механизма передачи реактивного момента забойного гидравлического двигателя на бурильную колонну (см. патент РФ 2164582, кл. Е 21 В 7/08, 2001 г.).

Указанная компоновка обеспечивает создание гидравлической нагрузки на корпусе двигателя с последующей передачей ее на долото независимо от положения двигателя в скважине.

Недостатком этой компоновки является то, что после углубления скважины на длину хода гидравлического нагружателя требуется осуществлять с поверхности спуск бурильной колонны с тем, чтобы поршень занял первоначальное верхнее положение в цилиндре.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение автоматической подачи бурильной колонны по мере углубления долота в интервале хода гидравлического нагружателя.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для бурения скважин забойным гидравлическим двигателем, включающем забойный гидравлический двигатель, гидравлический нагружатель, установленный между забойным гидравлическим двигателем и бурильной колонной, состоящий из соединенного с бурильной колонной цилиндра и расположенного внутри цилиндра рабочего поршня, связанного с корпусом забойного гидравлического двигателя, и механизма передачи реактивного момента забойного гидравлического двигателя на бурильную колонну, согласно изобретению рабочий поршень выполнен с полыми верхним и нижним штоками, при этом полым нижним штоком он связан с корпусом забойного гидравлического двигателя, а внутри цилиндра выполнен упор, образующий с рабочим поршнем, нижним штоком и расточкой, выполненной в цилиндре, кольцевую камеру, причем в верхней части нижнего полого штока выполнены отверстия, а в его нижней части для сообщения внутренней полости штока с забойным гидравлическим двигателем установлен нормально открытый циркуляционный клапан, при этом кольцевая камера выполнена с возможностью сообщения с затрубным пространством посредством предохранительного клапана, установленного в корпусе цилиндра. Кроме того, механизм передачи реактивного момента забойного гидравлического двигателя на бурильную колонну расположен в верхней части верхнего полого штока.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показан общий вид устройства для бурения скважин забойным гидравлическим двигателем;

на фиг.2 показан гидравлический нагружатель;

на фиг.3 показан второй вариант гидравлического нагружателя;

на фиг.4 приведено поперечное сечение по А-А механизма для передачи реактивного момента согласно фиг.2;

на фиг.5 приведено поперечное сечение по Б-Б механизма для передачи реактивного момента согласно фиг.3.

Устройство для бурения скважин забойным гидравлическим двигателем (фиг. 1) состоит из бурильных труб 1, забойного двигателя 2, гидравлического нагружателя 3 и долота 4.

Нагружатель (фиг. 2) включает корпус 5 в виде цилиндра 6 с внутренней расточкой и кольцевой камерой 7. Внутри корпуса 5 расположен рабочий поршень 8 с полыми верхним 9 и нижним 10 штоками. В верхней части нижнего штока выполнены отверстия или сквозные прорези 11, а в верхней части верхнего штока 9 расположен механизм передачи реактивного момента двигателя на бурильную колонну 12 и, кроме того, предусмотрено гнездо для установки насадка 13. В корпусе также имеются упоры 14 и 15. Для герметичности пар "поршень 8 - цилиндр 6" и "шток 10 - корпус 5" предусмотрены уплотнения 16 и 17. На наружной поверхности механизма 12 размещены шлицы 18 или другие элементы, передающие реактивный момент на корпус нагружателя (фиг.4).

В кольцевой камере 7, образованной расточкой корпуса 5 и нижним штоком 10, в корпусе нагружателя расположен предохранительный клапан 19. Кроме того, внутри нижнего штока размещен нормально открытый циркуляционный клапан 20.

Во втором варианте нагружателя (фиг.3) отсутствуют верхний шток 9, а механизм передачи реактивного момента двигателя на бурильную колонну расположен в нижней части штока 21 (фиг.5).

Гидравлический нагружатель работает следующим образом.

При номинальной подаче промывочной жидкости нормально открытый циркуляционный клапан 20 пропускает жидкость в двигатель 2. По мере разбуривания забоя долото 4 вместе с двигателем 2 и поршень 8 гидравлического нагружателя перемещаются вниз. Под воздействием перепадов давлений в насадке 13 и двигателе с долотом на долоте создается осевая нагрузка G:

G=G₁+G₂,

где G₁ - усилие от перепада давления в насадке;

G₂ - усилие от перепада давления в забойном двигателе.

Движение поршневой группы будет продолжаться до тех пор, пока поршень не дойдет до упора 15. Этот момент будет зафиксирован по прекращению проходки и падению давления на выходе насоса.

На корпус 5 нагружателя действует гидравлическая сила G₃, зависящая от распределения давлений в каналах нагружателя и гидростатического давления на забое, а также соотношения диаметров рабочего поршня, нижнего штока и проходного отверстия бурильных труб:

G₃=P(f_бт-f_шт)-P₃S_бт-P_н(F_л-f_бт),

где Р - перепад давления между кольцевой камерой и затрубьем;

P_н - перепад давления в насадке поршня;

P₃- затрубное (забойное) давления;

f_бт - площадь проходного сечения бурильных труб;

f_шт - площадь нижнего штока;

S_бт - площадь сечения бурильных труб;

F_л - площадь поршня.

Необходимым условием создания направленной вниз гидравлической силы G₃ является соотношение f_бт > f_шт.

Сила G₃ воздействует на бурильную колонну. Если силы сопротивления передвижению бурильной колонны в скважине окажутся больше силы G₃, то перемещение корпуса и, как следствие, перезарядка поршня в цилиндре становится невозможным.

В этом случае для перемещения корпуса 5 нагружателя и бурильной колонны 1 потребуется увеличить расход промывочной жидкости, что позволит закрыть клапан 20 и обеспечить повышение давления в нагружателе.

Повышение давления обеспечит увеличение силы G₃, которая переместит бурильную колонну 1 вниз на конструктивно заданный ход, ограниченный посадкой упора 14 корпуса на механизм 12. В случае повышения давления выше заданного срабатывает предохранительный клапан 19 и понижается давление в бурильной колонне и нагружателе, после чего восстанавливается номинальный расход промывочной жидкости и возобновляется бурение и углубление скважины. Далее цикл будет повторяться.

Предложенный нагружатель может эффективно использоваться при наклонно направленном и горизонтальном бурении (поддержание заданной осевой нагрузки на долото) и в особенности в бурении на гибкой непрерывной трубе.