EA047101B1 - Универсальная забойная компоновка гидроструйного бурения скважин - Google Patents

Description

Изобретение относится к области горных работ, а именно к забойным средствам бурения скважин.

Известен колонковый набор, содержащий алмазную буровую коронку с режущей матрицей, керноприемник с полусферической головкой для защиты керна от разрушения и размыва. Патент Российской Федерации № 2654087, кл. Е21В 10/04, 2018.

Недостатки колонкового набора, нарушение структурной цельности керна при бурении скважин по раздробленным, трещиноватым породам, снижением длины рейсовой проходки, в силу чего ограничивается геолого-технические условия применения.

Прототип - универсальная забойная компоновка гидроструйного бурения скважин, содержащая гидромашину состоящую из ротора с наклонными промывочными выработками, образованием пространства расположенного внутри вращающегося статора составленного из верхней и нижней части, жестко соединенные между собой, где верхняя часть имеет дугообразные канавки по кругу, ограниченные полуцилиндрическими проемами, керноприемник с полусферической головкой и алмазную буровую коронку с кольцевыми каналами на торцевой поверхности режущей матрицы. Универсальная забойная компоновка гидроструйного бурения скважин. Горный журнал Казахстана, № 3, 2023, стр.9-16.

Недостатки - низкие значения энергетических характеристик гидромашины на объем подачи рабочей жидкости, помехи продвижению керна в керноприемнике при отборе из слабосвязанных горных пород, что снижают надежность работы забойной компоновки при бурении скважин в сложной горногеологической ситуации.

Задача изобретения - повышение надежности работы универсальной забойной компоновки гидроструйного бурения скважин.

Технический результат - усиление энергетических характеристик гидромашины путем совершенствования системы подачи рабочей жидкости, увеличения длины рейсовой проходки скважин устранением помех продвижению керна в керноприемнике.

Это достигается тем, что в универсальной забойной компоновке гидроструйного бурения скважин, содержащей гидромашину, состоящую из ротора с наклонными промывочными выработками, расположенного с образованием пространства внутри вращающегося статора, составленного из верхней и нижней частей, жестко соединенных между собой, где верхняя часть имеет дугообразные канавки по кругу, ограниченные полуцилиндрическими проемами, керноприемник с полусферической головкой и алмазную буровую коронку с кольцевыми каналами на торцевой поверхности режущей матрицы, согласно изобретению, между полуцилиндрическими проемами дугообразные канавки выполнены уступообразно ярусными: передние верхними, задние нижними по направлению вращения статора, и взаимодействующими с наклонными промывочными выработками ротора, в нижней части статора по спирали сформированы канавки, исходящие из центральной зоны, и плавным поворотом переходящие в периферийные, прямолинейные участки с меньшим поперечным сечением, выходящие из статора противоположно вращению, при этом нижняя часть статора с возможностью вращения зафиксирована в полости полусферической головки керноприемника, на которой просверлены отверстия, сопряженные с внутренней стенкой керноприемника, ответные им проточки проведены на внутренней поверхности режущей матрицы, однонаправленно выходящими в кольцевые каналы обратном вращению алмазной буровой коронки.

Признаками изобретения, между полуцилиндрическими проемами дугообразные канавки выполнены уступообразно ярусными: передние верхними, задние нижними по направлению вращения статора, и взаимодействующими с наклонными промывочными выработками ротора, достигается увеличение площади силового взаимодействия рабочей жидкости с полуцилиндрическими проемами, беспрепятственный, без потери энергии на перемешивание проход рабочей жидкости из полуцилиндрических проемов в пространство между ротором и статором, усилением энергетических характеристик гидромашины на объем подачи рабочей жидкости.

Признаками изобретения, в нижней части статора по спирали сформированы канавки, исходящие из центральной зоны, и плавным поворотом переходящие в периферийные, прямолинейные участки с меньшим поперечным сечением, выходящие из статора противоположно вращению, из-за разности поперечных сечении канавок по спирали, на линии перехода происходит неполный гидравлический удар повышенного давления, в направлении вращения статора приложенной на внешние стенки канавки, в противоположном направлении придающим ускорения реактивному истечению рабочей жидкости, что совокупно с плавным поворотом потока по спирали суммарно увеличивают значения момента вращения статора.

Признаками изобретения, нижняя часть статора с возможностью вращения зафиксирована в полости полусферической головки керноприемника, на которой просверлены отверстия, сопряженные с внутренней стенкой керноприемника, ответные им проточки проведены на внутренней поверхности режущей матрицы, однонаправленно выходящими в кольцевые каналы обратном вращению алмазной буровой коронки, обеспечиваются неподвижность и надежность центрации керноприемника относительно осевой линии алмазной буровой коронки, снижение трении между керноприемником и керном появлением слоя рабочей жидкости в зазоре между ними, устранение самозаклинки керна удалением отколовшихся частиц керна и шлама без помех по ответным проточкам матрицы, удлинение рейсовой проходки при бурении скважин в сложной горно-геологической ситуации.

- 1 047101

Существенные признаки изобретения имеют причинно-следственную связь, обеспечивают решение задачи и достижение технического результата.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на фиг. 1 - общий вид, на фиг. 2 и 3 соответственно разрез по А-А и Б-Б.

Универсальная забойная компоновка гидроструйного бурения скважин, содержит гидромашину, состоящую из ротора 1 с наклонными промывочными выработками 2 и осевым каналом 3, расположенного с образованием пространства внутри вращающегося статора, составленного из верхней 4 и нижней части 5, жестко соединенных между собой, где верхняя часть 4 имеет дугообразные канавки по кругу, выполненные уступообразно ярусными, передние верхними 6, задние нижними 7 по направлению вращения статора, ограниченные полуцилиндрическими проемами 8, которые через пространство 9 между верхней части 4 статора и ротора 1, боковые отверстия 10 последнего сообщаются с центральным каналом 11 ротора 1.

Ротор 1 внутри верхней части 4 статора отцентрирован парой радиально опорных подшипников 12.

В нижней части 5 статора по спирали сформированы канавки 13, исходящие из центральной зоны, и плавным поворотом переходящие в периферийные прямолинейные участки 14 с меньшим поперечным сечением выходящие из статора противоположно вращению.

В собранном виде статор посредством переводника 15 установлен на роторе 1. При этом нижняя часть 5 статора имеющая продольные отверстия 16, с возможностью вращения на подшипнике 17 зафиксирована в полости полусферической головки 18 керноприемника 19, на которой просверлены отверстия 20, сопряженные с внутренней стенкой керноприемника 19.

Последний размещен внутри колонковой трубы 21, сверху соединенная с нижней 5 частью статора, внизу с алмазной буровой коронкой 22 с режущей матрицей 23, имеющая отверстия 24 и кольцевые каналы 25, однонаправленно выходящие на них ответные проточки 26 в обратном вращении алмазной буровой коронки 22.

Принцип работы. Началом процесса бурения скважин, поток рабочей жидкости по наклонным выработкам 2 ротора 1, под острым углом попадает на дно дугообразных канавок 6 и 7, верхней части 4 статора.

Под действиями выталкивающей силы веса столба рабочей жидкости и последующим давлением набегающего потока на внешние стенки полуцилиндрических проемов 8, статор с переводником 15 совершает вращательное движение на паре радиально опорных подшипников 12 и подшипника 17 полусферической головки 18 керноприемника 19, обеспечением неподвижности последнего, и передачей вращения через колонковую трубу 21 на алмазную буровую коронку 22.

Часть рабочей жидкости по осевому каналу 3 перетекает в центральный канал 11, и за счет трении увлекает рабочую жидкость из пространства 9 через боковые отверстия 10, ускорением движения потока в дугообразных канавках 6 и 7, усилением гидродинамического давления на внешние стенки проемов 8.

Из центрального канала 11 соединенный поток поступает в центральную зону нижней части 5 статора, где разделяется, одна часть движется по спирали сформированным канавкам 13, и при повороте гидродинамическое давление у внешней стенки повышается, а у внутренней стенки понижается, снижением скорости потока, и при переходе на периферийные, прямолинейные участки 14 с меньшим поперечным сечением, происходит неполный гидравлический удар, усилением давлении на внешние стенки канавок, ускорением реактивного истечения рабочей жидкости из статора.

Другая часть потока по продольным отверстиям 16, обтекая полусферическую головку 18, керноприемника 19, направляется в полость между колонковой трубой 21 и керноприемником 19, далее по отверстиям 24 попадает на кольцевые каналы 25 режущей матрицы 23, осуществляя процесс гидроструйного бурения скважин и выноса шлама с забоя скважин.

Ещё одна часть потока по отверстиям 20 полуцилиндрической головки 18 поступает в зазор между керном и керноприемником 19, обеспечивая жидкостное трение между контактными поверхностями, удалением отколовшихся частиц керна и шлама через ответные проточки 26 проведенные на внутренней поверхности режущей матрицы 23, однонаправленным попаданием в кольцевые каналы 25 алмазной буровой коронки 22.

Эксперименты по установлению работоспособности конструктивной схемы и технологических возможностей опытного образца универсальной забойной компоновки гидроструйного бурения скважин диаметром 95,6 мм осуществлялись на буровом стенде, оснащенном контрольно-измерительными приборами - расходомером, манометром и тахометром для измерения частоты вращения статора. Расход рабочей жидкости в холостом режиме работы придерживался в пределах 60-90 л/мин.

В рабочем режиме, при бурении условных скважин по блокам горных пород, гранодиоритам, алевролитам и трещиноватым песчаником, расход жидкости - 110-160 л/мин.

Результаты экспериментов показали, что при этом достигаются высокие значения энергетических характеристик (момент вращения, частоты) гидромашины, заметно превосходящие аналогичных показателей серийных забойных гидродвигателей в режиме холостого вращения и работы.

Обеспечивалась структурная цельность керна отобранного из трещиноватых песчаников, исключением самозаклинки керна в керноприемника, появляется возможность перехода на низкие значения тех

- 2 047101 нологических режимов бурения скважин - осевая нагрузка, частота вращения.

Claims (1)

1. Универсальная забойная компоновка гидроструйного бурения скважин, содержащая гидромашину, состоящую из ротора с наклонными промывочными выработками, расположенного с образованием пространства внутри вращающегося статора, составленного из верхней и нижней частей, жестко соединенных между собой, где верхняя часть имеет дугообразные канавки по кругу, ограниченные полуцилиндрическими проемами, керноприемник с полусферической головкой и алмазную буровую коронку с кольцевыми каналами на торцевой поверхности режущей матрицы, отличающаяся тем, что между полуцилиндрическими проемами дугообразные канавки выполнены уступообразно ярусными: передние верхними, задние нижними по направлению вращения статора, и взаимодействующими с наклонными промывочными выработками ротора, в нижней части статора по спирали сформированы канавки, исходящие из центральной зоны, и плавным поворотом переходящие в периферийные, прямолинейные участки с меньшим поперечным сечением, выходящие из статора противоположно вращению, при этом нижняя часть статора с возможностью вращения зафиксирована в полости полусферической головки керноприемника, на которой просверлены отверстия, сопряженные с внутренней стенкой керноприемника, ответные им проточки проведены на внутренней поверхности режущей матрицы, однонаправленно выходящими в кольцевые каналы обратном вращению алмазной буровой коронки.