EA005361B1 - Сменный узел буровой головки - Google Patents

Abstract

В извлекаемом узле буровой головки стандартная бурильная труба или обсадная труба (10) снабжена переходником (11), ввернутым в ее нижний конец и образующим установочную муфту для верхних закругленных шарниров пары режущих головок (12), установленных с возможностью вращения между парой подъемных пластин (20). Режущие головки снабжены консолями (16), отходящими от шарниров (14), с упрочненными режущими элементами (28, 24), расположенными в шахматном порядке вдоль передней кромки или в непосредственной близости от нее, и гидравлическим каналом (34, 35), соединенным с рядом сопел (38) в консолях, которые в сочетании с силой вращения бурильной трубы и силы трения консолей, оказываемой на материал, в котором ведется бурение, вынуждают консоли занять и поддерживать взаимно перпендикулярное положение. Консоли или режущие элементы могут быть извлечены с помощью устройства для извлечения (50, 56) с целью удаления комплекта консолей или замены его новым.

Description

Настоящее изобретение относится к роторным буровым головкам, и в частности к новому и усовершенствованному узлу режущей буровой головки, который может быть установлен на нижнем конце стандартной бурильной колонны с возможностью извлечения и снабжен поворотными консолями, которые имеют способность раздвигаться наружу в радиальном направлении под действием давления жидкости в сочетании с силой вращения бурильной колонны и силой трения, возникающей при воздействии веса бурильной колонны на материал, подвергающийся бурению.

Были разработаны многочисленные типы извлекаемых узлов режущих головок для проведения бурильных работ в скважинах или на земной поверхности. Однако прежде они являлись дорогостоящими в производстве и эксплуатации, трудоемкими и не были способны выполнять различные виды режущих работ, например расширение ствола скважины, прочистку скважины или фрезеровочные работы. Типичными патентами являются патенты на изобретения США №№ 2,203,998, выданные Д.Дж. О'Рейди, 2,814,463 - А.В. Каммереру, мл., 3,196,961 - А.В. Каммереру, 3,552,509 - С.С. Брауну, 3,554,304 - Линку и др., 3,656,564 - С. С. Брауну, 3,684,041 - А.В. Каммерреру и др. и 5,271,472 - Р.Е. Летурно.

Существует постоянная потребность в узлах режущих головок, характеризующихся исключительно большой гибкостью, а также эффективностью и долговечностью в эксплуатации, и в частности удобных для использования в качестве бурильных инструментов, раздвижных расширителей, расширителей для значительного увеличения диаметра скважины, инструментов для фрезерования или сочетания этих инструментов, и которые могут приводиться в действие гидравликой или использоваться без нее, снабжены извлекаемыми или стационарными буровыми головками, со струйным врубным бурением или без него, с направляющим торцом или без него, с карбидвольфрамовыми зубьями шарошки или без них, режущими зубьями, режущими шарошками или поликристаллическими алмазными вставками. Наиболее предпочтительно, чтобы узел буровой головки по настоящему изобретению включал уникальное сочетание и расположение режущих инструментов и гидравлических каналов вдоль одной или более консолей узла буровой головки и далее характеризовался простотой и быстротой извлечения и замены.

Краткое изложение существа изобретения

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного узла буровой головки, обладающего гибкостью и удобством эксплуатации при проведении различных режущих работ, например расширении диаметра скважины, фрезеровании и расширении ствола скважины.

Другая цель настоящего изобретения заключается в создании нового усовершенствованного способа и устройства для монтажа узла буровой головки или иного инструмента в нижней части стандартной бурильной колонны или колонны обсадных труб для проведения различных работ в скважине.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного способа и устройства для монтажа режущих головок и иных инструментов в нижней части стандартной бурильной колонны или колонны обсадных труб, в которых производится оперативное извлечение и замена инструментов.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного узла буровой головки, в которой используется уникальное сочетание режущих вставок и гидравлических каналов для проведения бурильных работ в скважине; в частности, в котором режущие элементы могут быть использованы отдельно или в сочетании с гидравлическим давлением для проведения различных режущих и врубных работ.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного узла буровой головки, в которой режущие вставки неподвижно установлены вдоль передней кромки консоли, образуя часть каждой буровой головки; и в альтернативном, но предпочтительном варианте - создание ряда вращающихся шарошечных дисков, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль нижней части каждой консоли для проведения шарошечных работ.

Настоящее изобретение относится к узлу режущей буровой головки, опускаемому на колонне бурильных труб или колонне обсадных труб в подземные горные породы, в которых переходник соединяется с нижней частью бурильной колонны, а буровая головка снабжена парой режущих кромок, размещенных рядом друг с другом, включая шарниры, установленные в переходнике вокруг общего осевого элемента, и режущие пластины, отходящие тангенциально от шарниров между положением, при котором они расположены, в основном, в аксиальном направлении вниз от переходника, и режущим положением, при котором происходит выдвижение в противоположном перпендикулярном направлении по отношению к оси вращения бурильной колонны, и при этом консоли снабжены рядом режущих элементов вдоль одной своей кромки.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения режущие элементы установлены в углублениях вдоль всей длины каждой консоли и включают дуговой участок поверхности, выступающий из нижней части консоли. Кроме того, режущие элементы снабжены плоским участком поверхности, в основном, заподлицо с передней кромкой консоли. Во втором предпочтительном варианте осуществления изобретения режущие элементы имеют форму шарошечных дисков, посаженных на отдельные роликовые валы под нижней поверхностью каждой консоли, при этом ось вращения каждого шарошечного диска является таковой, что диск вращается вдоль линии, являющейся тангенциальной к радиусу кривизны буровой головки в этом месте.

- 1 005361

При любом предпочтительном варианте осуществления изобретения в каждой консоли имеется гидравлический канал, проходящий, по меньшей мере, по длине консоли, и несколько гидравлических нагнетательных отверстий, сообщающихся с гидравлическим каналом для нагнетания жидкости под давлением из канала в виде высокоскоростных струй, врезающихся в горную породу.

Наиболее предпочтительно, чтобы устройство нагнетания располагалось поперечно по отношению к каналу в корпусе каждого лезвия и ограничивалось соплами, проходящими через лезвие позади режущего элемента. Для более эффективной резки и удаления отколотых горных пород сопла располагаются в шахматном порядке по отношению к расположению режущего элемента таким образом, чтобы режущие элементы разрушали материал между канавками, образованными соплами. Например, если сопла расположены только вдоль одного лезвия, а режущие элементы расположены только вдоль другого лезвия, то режущие элементы будут разрушать материал горной породы между канавками, образованными соплами на одном лезвии. Если режущие элементы расположены на обоих лезвиях, то они предпочтительно располагаются в шахматном порядке по отношению друг к другу для прохождения различных радиальных расстояний в горной породе между канавками, и соответственно, если сопла расположены вдоль обоих лезвий, режущие элементы должны быть смещены по отношению друг к другу для формирования канавок на различных радиальных дистанциях, обеспечивая тем самым достижение наиболее эффективного режущего действия. Количество режущих элементов и расстояние между ними и соплами, разумеется, будет изменяться в зависимости от твердости материала, в котором ведется бурение, размера скважины и скорости нагнетаемой жидкости.

Исходя из вышеизложенного, способ бурения подземных горных пород включает этапы нагнетания высокоскоростного потока жидкости через несколько сопел по меньшей мере в одной паре вращающихся лезвий, с помощью которых производится формирование ряда канавок по концентрическим окружностям, и размещения ряда режущих элементов по меньшей мере на одном из двух лезвий для разрушения материала горной породы между канавками, образованными реактивными струями, выходящими из сопел. Независимо от того, расположены ли сопла и режущие элементы вдоль одного или обоих лезвий, наиболее предпочтительно, чтобы режущие элементы были смещены по отношению к траектории перемещения сопел с целью разрушения горной породы между канавками, образованными соплами.

При использовании вращающихся режущих дисков в качестве режущих элементов диски ориентированы таким образом, чтобы следовать канавкам, образованным соплами, с целью усиления эффекта разрушения горной породы или иного материала между канавками.

Дополнительной отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что поворотный элемент для пластин установлен с возможностью съема в переходнике, а подъемные пластины выступают в направлении вверх из переходника, снабженного замком, который вводится в зацепление штангой подъема с целью достижения зацепления между штангой подъема и фиксирующим элементом с целью поднятия буровой головки из скважины для замены.

Выше были изложены отличительные признаки настоящего изобретения в целях более полного понимания ниже приведенного детального описания изобретения и более полной оценки предлагаемого усовершенствования существующего уровня техники. Несомненно, существуют дополнительные отличительные признаки изобретения, которые будут описаны ниже и которые образуют существо формулы изобретения, прилагаемой к настоящему патенту. В этом отношении, прежде чем приступить к детальному пояснению по меньшей мере одного примера осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено в своем применении элементами конструкции и расположением элементов, изложенными в ниже приведенном описании. Настоящее изобретение допускает другие примеры осуществления, а также его применение на практике и реализацию различными способами. Следует также понимать, что фразеология и терминология, используемые в настоящем изобретении, служат для целей описания и не должны рассматриваться как ограничивающие. В этом отношении термин «бурильная колонна» используется в настоящем описании для равнозначной ссылки на вращающуюся колонну бурильных труб или обсадных труб. Специалистам в данной области должно быть очевидно, что концепция, на которой основано раскрытие настоящего изобретения, может быть непосредственно использована в качестве базы для разработки иных конструкций, способов и систем для достижения ряда целей настоящего изобретения. Таким образом, важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая такие эквивалентные конструкции постольку, поскольку они не выходят за пределы существа и объема настоящего изобретения.

Claims (10)

1. Узел режущих буровых головок, опускаемых на колонне бурильных труб (10) в подземное формирование, включающий переходник (11), соединенный с нижним концом указанной бурильной колонны и буровую головку (12), снабженную парой консолей (16), частично соприкасающихся друг с другом, включающих шарниры (14), установленные в переходнике на общем осевом элементе, при этом консоли (16) отходят наружу от указанных шарниров между положением, при котором они расположены, в основном, в аксиальном направлении вниз от переходника, и режущим положением, при котором происходит их выдвижение в перпендикулярном направлении по отношению к оси вращения бурильной колонны, и причем консоли снабжены рядом режущих элементов (28, 44) вдоль их режущих кромок; а также

- 5 005361 средства (10, 34, 35, 40, 41) для передачи центробежной силы консолям для того, чтобы вызвать раздвижение консолей наружу в перпендикулярном направлении относительно оси вращения буровой головки.

2. Узел по п.1, в котором средства для придания центробежной силы включают средства для вращения колонны бурильных труб, гидравлический канал (34, 35), проходящий, по меньшей мере, вдоль консоли, и несколько гидравлических нагнетательных устройств (40, 41), соединенных с указанным гидравлическим каналом, для нагнетания жидкости под давлением из указанного гидравлического канала наружу из консоли.

3. Узел по п.1, в котором каждая из буровых головок включает гидравлический канал, проходящий, по меньшей мере, вдоль консоли, и несколько гидравлических нагнетательных устройств, соединенных с указанным гидравлическим каналом, для нагнетания жидкости под давлением из указанного гидравлического канала наружу из консоли.

4. Узел по п.2, отличающийся тем, что нагнетательные устройства имеют форму сопел, расположенных в корпусе указанной консоли рядом с режущими элементами, при этом сопла на каждой консоли смещены по отношению к режущим элементам, а указанные режущие элементы на одной из консолей расположены с возможностью соприкосновения с горной породой между канавками, образованными соплами.

5. Узел по п.1, отличающийся тем, что содержит защелку, включающую паз в нижней торцевой части штанги, поворотный фиксирующий элемент, установленный для расширения поперек указанного паза, и устройство (64) для оказания воздействия за счет усилия расширения на фиксирующий элемент между положением фиксации при его расположении поперек паза и разомкнутым положением при его выходе от паза.

6. Узел режущих головок, опускаемых на колонне бурильных труб в подземное формирование, включающий переходник, соединенный с нижним концом указанной бурильной колонны и буровую головку, снабженную парой консолей, частично соприкасающихся друг с другом, включающих шарниры, установленные в переходнике на общем осевом элементе, при этом консоли отходят тангенциально от указанных шарниров между положением, при котором они расположены, в основном, в аксиальном направлении вниз от переходника, и режущим положением, при котором они расположены в перпендикулярном направлении по отношению к оси вращения бурильной колонны, и при этом консоли снабжены рядом режущих элементов, при этом каждый указанный режущий элемент представляет собой шарошечный диск, установленный на подшипнике для вращения независимо от указанной консоли вдоль поверхности консоли, входящей в соприкосновение с горной породой.

7. Узел по п.6, отличающийся тем, что осевой элемент установлен с возможностью съема в переходнике, при этом подъемные пластины выступают в направлении вверх от переходника и снабжены элементом размыкания защелки на их верхних концах, а штанга для извлечения инструмента снабжена защелкой в своей нижней части и предназначена для опускания через колонну бурильных труб до зацепления с фиксацией с элементом, вступающим в зацепление с защелкой, благодаря чему обеспечивается подъем бурильных головок из переходника через колонну бурильных труб на поверхность.

8. Узел по п.7, отличающийся тем, что защелка включает паз в нижней торцевой части штанги, поворотный фиксирующий элемент, расположенный поперек паза, и устройство для оказания воздействия за счет усилия растягивания на фиксирующий элемент между положением фиксации при его расположении поперек паза и разомкнутым положением при его отходе от паза.

9. Способ бурения подземных горных пород, включающий стадии нагнетания высокоскоростных струй жидкости через несколько сопел по меньшей мере в одной паре поворотных режущих головок и создания вращательного движения режущих головок с целью образования головками ряда концентрических круговых канавок в горной породе и установки нескольких режущих элементов, по меньшей мере, на другой режущей головке для разрушения материала горных пород между канавками.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что режущие элементы смещены по отношению к соплам, причем сопла и режущие элементы расположены вдоль соприкасающихся с горными породами поверхностей каждой из режущих буровых головок.