EA004567B1 - Струйное режущее устройство с дефлектором - Google Patents

Abstract

Струйное режущее устройство, содержащее режущую головку, снабженную по меньшей мере одним соплом для испускания потока раствора к объекту, что обуславливает создание выбранного разреза в объекте. Режущая головка снабжена дефлектором для каждого сопла, имеющим отклоняющую поверхность, расположенную с возможностью отклонения потока раствора, испускаемого из сопла, в выбранном направлении в соответствии с положением разреза, который нужно создать.

Description

Изобретение относится к струйному режущему устройству, содержащему режущую головку, снабженную одним или более соплами для испускания потока раствора к объекту, что обуславливает создание разреза в этом объекте. Это струйное режущее устройство можно применять, например, в области обработки заготовок на станках или в области разрезания горных пород во время бурения стволов скважин в грунтовые образования.

В документе XVО 00/66872 описано устройство для разрезания горных пород, в котором поток бурового раствора, содержащий абразивные частицы, испускается в забое ствола скважины или у стенки ствола скважины посредством сопла, предусмотренного в режущей головке устройства.

В документе И8-Л-4708214 описано струйное режущее устройство, соответствующее ограничительной части п.1 формулы изобретения.

С известным устройством связана проблема, заключающаяся в том, что испускаемый поток не может быть оптимальным, что является необходимым ввиду ограничений, накладываемых на положение сопла в режущей головке. Например, в некоторых применениях необходимо, чтобы испускаемый поток проходил близко к стенке ствола скважины и, по существу, параллельно ей для обеспечения точности резания на окружности ствола скважины. Однако положение сопла внутри от внешнего радиуса режущей головки препятствует такому направлению потока.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованное струйное режущее устройство, содержащее режущую головку, снабженную одним или более соплами для испускания потока раствора к объекту, что обуславливает создание выбранного разреза в объекте, причем режущая головка снабжена дефлектором для каждого сопла, имеющим отклоняющую поверхность, расположенную с возможностью отклонения потока раствора, испускаемого из сопла, в выбранном направлении в соответствии с положением разреза, который нужно выполнить.

Эта задача решается за счет того, что испускаемый поток можно отклонять в направлениях, отличающихся от направления испускания этого потока из сопла.

Предлагаемое струйное режущее устройство подходит для бурения стволов скважин, поскольку позволяет бурить центральную часть ствола скважины частью потока, не отклоняемой дефлектором, и бурить радиально внешнюю часть ствола скважины частью потока, отклоняемой дефлектором, расположенным близко к стенке ствола скважины, обеспечивая тем самым точное резание по внешней окружности ствола скважины.

Чтобы сфокусировать поток и увеличить

КПД резания, обычно предусматривают дефлектор, имеющий вогнутую отклоняющую поверхность, на которую оказывает ударное воздействие поток. В альтернативном варианте, когда необходимо обеспечить расхождение потока, сопло можно расположить с возможностью испускания потока к выпуклой отклоняющей поверхности дефлектора.

Поскольку для большинства применений интенсивность воздействия, характерная для силы ударного воздействия потока на отклоняющую поверхность, претерпевает некоторое изменение вдоль этой поверхности, отклоняющая поверхность обычно обладает эрозионной стойкостью, которая изменяется с изменением силы ударного воздействия, так что отклоняющая поверхность разрушается, по существу, равномерно под воздействием потока.

Далее, в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, будет приведено более подробное описание изобретения, при этом:

на фиг. 1 схематически изображено поперечное сечение первого конкретного варианта осуществления струйного режущего устройства согласно изобретению применительно к бурению стволов скважин; и на фиг. 2 схематически изображен один элемент конкретного варианта осуществления, показанного на фиг. 1.

На фиг. 1 изображен буровой снаряд, включающий бурильную колонну 1, проходящую в ствол 2 скважины, пробуренный в грунтовом образовании 3, и струйное режущее устройство 5, расположенное на нижнем конце бурильной колонны 1 около забоя 7 ствола 2 скважины, вследствие чего между буровым снарядом 1 и стенкой ствола 2 скважины образуется кольцевое пространство 8. Бурильная колонна 1 и струйное режущее устройство 5 снабжены каналом 9, 9а раствора, предназначенным для подачи бурового раствора струей к забою скважины, как будет описано ниже. Струйное режущее устройство 5 имеет режущую головку 5а, снабженную смесительной камерой 10, имеющей первый впускной канал в форме впускного сопла 12, находящийся в гидравлическом сообщении с каналом 9, 9а раствора, второй входной канал 14 для абразивных частиц и выходной канал в форме струйного сопла 15, направленного к дефлектору 16, который подробнее описан ниже. В режущей головке 5а предусмотрено продольное удлинение 5с для удержания дефлектора 16 на выбранном расстоянии от забоя 7 скважины. В режущей головке 5а на ее боковой поверхности расположена выемка 17, которая находится в гидравлическом сообщении со смесительной камерой 10 и со вторым впускным каналом 14.

На фиг. 2 показано перспективное изображение выемки 17, на котором показана полуцилиндрическая стенка 18 выемки 17. В выемке 17 расположен цилиндр 19, выполненный с воз можностью вращения (см., например, фиг. 1; на фиг. 2 цилиндр не показан в целях ясности изображения), причем диаметр этого цилиндра имеет такой размер, что между цилиндром 19 и боковой стенкой 18 выемки 17 имеется лишь небольшой зазор. Внешняя поверхность цилиндра 19 намагничена, при этом в окружном направлении расположено в чередующемся порядке несколько полюсов N и 8. Каждый из таких конструктивных элементов, как второй впускной канал 14 и смесительная камера 10, имеет боковую стенку, образованную внешней поверхностью цилиндра 19. Кроме того, второй впускной канал 14 имеет противоположные боковые стенки 22, 24, которые сходятся к смесительной камере 10 и, по существу, перпендикулярны боковой стенке 18.

Дефлектор 16 проходит в нижнюю выемку 26 режущей головки 5а таким образом, что обеспечивается возможность перемещения дефлектора 16 относительно режущей головки 5а. В нижней выемке 26 расположено управляющее средство в виде исполнительного механизма 28 для крепления дефлектора 16 и управления перемещением дефлектора 16 относительно режущей головки 5а. Дефлектор 16 расположен таким образом, что во время работы струйного режущего устройства 5 поток раствора 30, испускаемого соплом 15, оказывает ударное воздействие на внутреннюю поверхность 32 дефлектора под выбранным углом 34. Внутренняя поверхность 32 предпочтительно выполнена из эрозионно стойкого материала, такого как карбид вольфрама.

Исполнительный механизм 28 выполнен с возможностью перемещения дефлектора в противоположных направлениях 36а, 36Ь, которые, по существу, параллельны внутренней поверхности 32 дефлектора. Кроме того, исполнительный механизм 28 выполнен с возможностью поворота исполнительного механизма с обеспечением изменения угла 34, под которым поток 30 оказывает ударное воздействие на внутреннюю поверхность 32 дефлектора.

Во время нормальной работы бурового снаряда 1 поток бурового раствора, изначально содержащий абразивные частицы, перекачивается по каналу 9, 9а раствора и впускному соплу 12 в смесительную камеру 10. Абразивные частицы включают магнитоактивный материал, такой как мартенситная сталь, а типичные абразивные частицы представляют собой дробь или опилки мартенситной стали. Протекая через струйное сопло 15, поток принимает форму струйного потока 30 у дефлектора 16, который отклоняет поток 30, создавая отклоненный поток 40, оказывающий ударное воздействие в забое 7 скважины. Направление отклоненного потока 40 определяется углом 34 ударного воздействия, формой дефлектора и ориентацией дефлектора.

После перекачивания всех абразивных частиц через канал 9, 9а для раствора буровой раствор, который, по существу, не содержит абразивные частицы, перекачивается через этот канал 9, 9а и впускное сопло 12 в смесительную камеру 10.

За счет ударного воздействия струйного потока 40 в забое 7 ствола скважины из этого забоя 7 ствола скважины удаляются частицы породы. При этом бурильная колонна 1 вращается одновременно, так что забой 7 ствола скважины подвергается равномерному разрушению, а глубина ствола скважины постепенно увеличивается. Частицы породы, удаляемые из забоя 7 ствола скважины, попадают в поток, который течет в направлении вверх через кольцевое пространство 8. Когда поток проходит мимо цилиндра 19, абразивные частицы притягиваются магнитными силами, которые индуцируются цилиндром 19 и вследствие этого отделяют абразивные частицы от потока и перемещают эти частицы на внешнюю поверхность цилиндра 19. Цилиндр 19 приводится во вращение а) благодаря силам трения, прикладываемым к цилиндру потоком бурового раствора, текущим в смесительную камеру, б) благодаря силам трения, прикладываемым к цилиндру потоком, протекающим через кольцевое пространство 8, и в) благодаря высокоскоростному течению бурового раствора через смесительную камеру 10; это приводит к тому, что в смесительной камере 10 создается гидравлическое давление, значительно меньшее, чем гидравлическое давление в кольцевом пространстве 8. Вследствие этого, абразивные частицы, налипающие на внешнюю поверхность цилиндра 19, перемещаются по второму впускному каналу 14 в направлении смесительной камеры 10. Сходящиеся стороны стенок 22, 24 второго впускного канала 14 направляют абразивные частицы в смесительную камеру 10. После перемещения этих частиц в смесительную камеру 10 поток бурового раствора, испускаемого из впускного сопла 12, удаляет абразивные частицы с внешней поверхности цилиндра 19, после чего эти частицы попадают в поток бурового раствора.

Остальная часть раствора, текущая вверх через кольцевое пространство 8, по существу, не содержит абразивные частицы и продолжает свое перемещение к поверхности, где буровой шлам можно удалить из потока. После удаления бурового шлама буровой раствор перекачивается через канал 9, 9а раствора и впускное сопло 12 в смесительную камеру 10, где в него снова попадают абразивные частицы, и т.д.

Когда часть поверхности 32 дефлектора, на которую оказывает воздействие поток 30, изнашивается, с помощью исполнительного механизма 28 обеспечивают перемещение дефлектора 16 либо в направлении 36а, либо в направлении 36Ь, чтобы сместить эту часть из места, в котором прикладывается ударное воздействие, и переместить новую, не изношенную часть по верхности 32 дефлектора в место приложения ударного воздействия. Таким образом достигают увеличения срока службы дефлектора.

Когда становится необходимым изменение направления отклоненного потока 40, с помощью исполнительного механизма 28 обеспечивают поворот дефлектора для изменения угла 34, под которым поток 30 оказывает ударное воздействие на этот дефлектор.

Кроме того, когда становится необходимым увеличение диаметра пробуриваемого ствола 2 скважины, с помощью исполнительного механизма 28 обеспечивают перемещение дефлектора 16 в направлении 38Ь, увеличивая тем самым расстояние между дефлектором 16 и потоком 30. И наоборот, когда становится необходимым уменьшение диаметра пробуриваемого ствола 2 скважины, с помощью исполнительного механизма 28 обеспечивают перемещение дефлектора 16 в направлении 38а, уменьшая тем самым расстояние между дефлектором 16 и потоком 30.

Claims (10)

1. Струйное режущее устройство, предназначенное для резания ствола скважины, содержащее режущую головку, снабженную по меньшей мере одним соплом для испускания потока раствора к объекту, для создания выбранного разреза в объекте, причем режущая головка снабжена дефлектором, имеющим отклоняющую поверхность, расположенную с возможностью отклонения потока раствора, испускаемого из сопла, в выбранном направлении в соответствии с положением разреза, который необходимо создать, отличающееся тем, что отклоняющая поверхность расположена с возможностью отклонения потока раствора вблизи стенки ствола скважины и, по существу, параллельно ей.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит насосное средство, которое расположено с возможностью обеспечения потока жидкости, включающей абразивные частицы, через сопло.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что отклоняющая поверхность является вогнутой.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью изменения силы ударного воздействия по тока на отклоняющую поверхность вдоль этой отклоняющей поверхности, при этом отклоняющая поверхность имеет эрозионную стойкость, которая изменяется вдоль этой отклоняющей поверхности в соответствии с изменением силы ударного воздействия потока на отклоняющую поверхность, так что отклоняющая поверхность разрушается, по существу, равномерно под воздействием потока.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что дефлектор выполнен с возможностью перемещения относительно режущей головки, причем устройство дополнительно включает управляющее средство для управления перемещением дефлектора относительно режущей головки.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что управляющее средство выполнено с возможностью перемещения дефлектора для смещения первой части отклоняющей поверхности от места, в котором поток оказывает ударное воздействие на отклоняющую поверхность, и перемещения второй части отклоняющей поверхности в это место.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что управляющее средство выполнено с возможностью перемещения дефлектора для изменения угла, под которым поток оказывает ударное воздействие на дефлектор.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что управляющее средство выполнено с возможностью перемещения дефлектора в процессе поступательного движения для изменения расстояния между дефлектором и потоком.

9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что режущая головка образует часть бурильной колонны для бурения ствола скважины в грунтовое образование, при этом каждое сопло расположено с возможностью испускания потока раствора, включающего абразивные частицы, в ствол скважины для дальнейшего бурения ствола скважины.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что каждое сопло расположено с возможностью бурения центральной части ствола скважины частью потока, испускаемой соплом и не отклоняемой дефлектором, и радиально внешней части ствола скважины частью потока, отклоняемой дефлектором, расположенным близко к стволу скважины.