PL199155B1 - Głowica wiertnicza do wiercenia płynem - Google Patents

Abstract

Glowica wiertnicza do wiercenia p lynem ma w obrotowym zespole dyszowym (2) szereg dysz (3, 4, 5, 6) dostarczaj acych strumienie tn ace (7). G lowica jest wyposa zona w pier scie n kalibruj acy (10), oddalony od obrotowego ze- spo lu dyszowego (2) o pier scieniow a szczeli- n e (11), co umo zliwia przep lyw cz astek skal- nych oderwanych dzia laniem tn acym strumie- ni (7), przy czym reguluje si e posuw g lowicy wiertniczej w odwiercie i kontroluje blokowanie procesu wiercenia. Opisano i zastrze zono rów- nie z stopniowy obrotowy zespó l dyszowy, ma- j acy cz esc (8) o mniejszej srednicy i cz es c (9) o wi ekszej srednicy, rozszerzaj acy stref e ci ecia strumienia rozwieraj acego na bli zsz a zewn etrz- nej srednicy pier scienia kalibruj acego (10). PL PL PL PL

Description

Dziedzina wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy głowicy wiertniczej do wiercenia płynem i został opracowany w szczególnoś ci, choć nie wyłącznie, do stosowania w urzą dzeniu do wiercenia pł ynem, typu opisanego w australijskim opisie patentowym nr 700032, którego treść włączono do niniejszego zgłoszenia na zasadzie odniesienia.

Tło wynalazku

W urządzeniu do wiercenia płynem ogólnie, a w szczególności w urządzeniu typu opisanego w australijskim opisie patentowym nr AU700032, skał a, przez którą wykonuje się odwiert w drodze erozji strumieniem płynu, często jest twarda i trudna do cięcia lub erodowania na skutek działania strumieniem wody.

Problemem związanym z tego typu urządzeniem do wiercenia płynem jest to, że ze względu na niestabilny charakter ciętej skały, regulowanie posuwu do przodu głowicy tnącej jest trudne. Zwykłym zjawiskiem jest zatrzymywanie się głowicy tnącej w obszarach twardszej skały, co powoduje nadmierne rozwiercanie otaczającej skały w tym obszarze, dopóki skała przed głowicą nie zostanie usunięta do tego stopnia, aby umożliwić dalszy ruch głowicy tnącej, po czym głowica tnąca przyspiesza do przodu, co daje w efekcie niestałą i nierówną średnicę wykonywanego odwiertu.

W praktyce wiercenia strumieniem wody, przy uż yciu wiert ł a podobnego do opisanego w australijskim opisie patentowym nr AU700032, strumienie wody pod wysokim ciśnieniem tną skałę przed wiertłem, tworząc wióry skalne zwane zwiercinami. Następnie płyn ze zużytego strumienia płynie z powrotem wzdłuż odwiertu, głównie przez pierścieniową szczelinę utworzoną pomiędzy korpusem wiertła i ścianką odwiertu, a następnie przez o wiele większą pierścieniową szczelinę utworzoną pomiędzy przewodem zasilającym wysokiego ciśnienia i ścianką odwiertu. Zwierciny są przenoszone wraz z przepływem płynu ze zużytego strumienia. Objętościowe natężenie przepływu strumieni wody jest stałe dla danej kombinacji ciśnienia pompy i średnicy dyszy, podczas gdy ilość wytwarzanych zwiercin jest określana przez szybkość penetracji wiertła i średnicę odwiertu.

Aby umożliwić wsteczny przepływ płynu ze zużytego strumienia i zwiercin poprzez pierścieniowy obszar utworzony pomiędzy korpusem narzędzia i ścianką odwiertu, wymagana jest różnica ciśnienia na długości narzędzia. Dlatego też, na powierzchnię czołową wiertła, w porównaniu z jego tylną powierzchnią, działa wyższe ciśnienie. Wielkość tej różnicy ciśnienia jest określana przez równoważną powierzchnię przepływu szczeliny pierścieniowej, objętościowe natężenie przepływu strumienia zużytego płynu i zwiercin oraz długość korpusu narzędzia. Jeżeli równoważna powierzchnia przepływu szczeliny pierścieniowej jest wystarczająco mała, wówczas wynikowa różnica ciśnienia jest wystarczająco duża do wytworzenia siły działającej wstecz większej niż siła netto działająca do przodu, wytwarzana przez strumienie wsteczne. Będzie to wstrzymywać posuw wiertła do przodu, ewentualnie nawet powodując odpychanie wiertła do tyłu. Określa się to jako „blokowanie procesu wiercenia”.

Zablokowanie narzędzia mogą spowodować dwie odrębne, aczkolwiek powiązane ze sobą sytuacje. Po pierwsze, jeżeli średnica wykonywanego odwiertu ma wartość poniżej pewnej wartości krytycznej, wówczas narzędzie się zablokuje. Po drugie, jeżeli powstają cząstki zwiercin większe niż pierścieniowe wybranie, mogą one częściowo zablokować pierścieniowy obszar, zmniejszając tym samym równoważną powierzchnię przepływu, powodując zablokowanie narzędzia.

Istnieje także konflikt wymagań w obszarze obrotowego zespołu dyszowego głowicy tnącej płynem, pomiędzy koniecznością pozostawienia wystarczającej szczeliny dla umożliwienia usunięcia cząstek skalnych oderwanych strumieniem wody i uniesienia ich do tyłu w strumieniu płynu, oraz koniecznością umieszczenia wylotów dysz strumieniowych płynu pod wysokim ciśnieniem możliwie jak najbliżej czoła skały tak, aby zoptymalizować siłę cięcia.

Streszczenie wynalazku

Stosownie do powyższego, niniejszy wynalazek dostarcza głowicę wiertniczą do wiercenia płynem, mającą szereg dysz w obrotowym zespole dyszowym, przy czym dysze te są przystosowane do zasilania płynem pod wysokim ciśnieniem, tworząc strumienie usytuowane tak, aby ciąć znajdującą się w pobliżu skałę, i ustawione pod kątem tak, aby dostarczać siłę reakcji rozłożoną tak, aby obracać obrotowy zespół dyszowy, przy czym głowica jest wyposażona w pierścień kalibrujący umieszczony współśrodkowo z obrotowym zespołem dyszowym i usytuowany za strumieniami względem kierunku posuwu głowicy wiertniczej do przodu, przy czym pierścień kalibrujący ma obwód ogólnie o wymiarach tak dobranych, aby pasował do żądanego przekroju odwiertu wierconego przez głowicę wiertniczą.

PL 199 155 B1

Korzystnie pierścień kalibrujący ma ogólnie kształt walcowy i jest oddalony od obrotowego zespołu dyszowego o pierścieniową szczelinę, przy czym szczelina ma wymiary tak dobrane, że umożliwia przepływ cząstek skalnych oderwanych działaniem tnącym strumieni płynu, pomiędzy pierścieniem kalibrującym i obrotowym zespołem dyszowym.

Korzystnie korpus głowicy wiertniczej do wiercenia płynem usytuowany za pierścieniem kalibrującym względem kierunku posuwu głowicy wiertniczej do przodu jest podłużnie rowkowany, przy czym rowki tworzą podłużne kanały do przepływu tych cząstek skalnych wzdłuż długości głowicy wiertniczej.

Korzystnie kanały są oddzielone podłużnymi żebrami i skonfigurowane w taki sposób, aby zapewnić żądany stopień bocznego ustalenia głowicy wiertniczej wewnątrz odwiertu uformowanego w wyniku dział ania gł owicy wiertniczej.

Korzystnie obrotowy zespół dyszowy ma ogólnie kształt walcowy i jest stopniowany tak, że obejmuje części o różnych średnicach tak, aby wyloty z dysz usytuowanych na tych różnych częściach znajdowały się na różnych promieniach poprowadzonych od osi obrotu obrotowego zespołu dyszowego.

Korzystnie walcowy obrotowy zespół dyszowy ma części o dwóch różnych średnicach, przy czym istnieje część o mniejszej średnicy, sąsiadująca z powierzchnią natarcia obrotowego zespołu dyszowego, oraz część o większej średnicy, sąsiadująca z pierścieniem kalibrującym.

Korzystnie część o mniejszej średnicy zespołu dyszowego zawiera jedną albo większą liczbę dysz ustawionych pod kątem do przodu, przystosowanych do erodowania skały przed ruchem do przodu głowicy wiertniczej do wiercenia płynem.

Korzystnie część o większej średnicy zawiera co najmniej jedną dyszę rozwiercającą usytuowaną w taki sposób, aby kierować strumień płynu na obrzeże odwiertu bezpośrednio przed krawędzią natarcia pierścienia kalibrującego.

Krótki opis rysunku

Pomimo wszelkich innych postaci, jakie mogą wchodzić w zakres wynalazku, obecnie zostanie opisana jego jedna korzystna postać, jedynie tytułem przykładu, w odniesieniu do załączonego rysunku, na którym fig. 1 przedstawia głowicę wiertniczą do wiercenia płynem według wynalazku w widoku z boku, a fig. 2 - głowicę wiertniczą do wiercenia płynem pokazaną na fig. 1, w widoku perspektywicznym.

Szczegółowy opis korzystnych postaci wynalazku

W korzystnej postaci wynalazku koniec nacierają cy gł owicy wiertniczej do wiercenia pł ynem, oznaczonej ogólnie odnośnikiem liczbowym 1, jest wyposażony w obrotowy zespół dyszowy 2, który ma ogólnie kształt walcowy, jak to wyraźnie pokazano na fig. 2. Obrotowy zespół dyszowy ma szereg dysz 3, 4, 5 i 6, z których wypływają strumienie 7 płynu pod wysokim ciśnieniem, zazwyczaj wody. Ciśnienie strumieni jest wystarczające do erodowania skały w obszarze głowicy wiertniczej, w celu utworzenia odwiertu w skale, w sposób opisany w australijskim opisie patentowym nr 700032.

W niniejszym wynalazku, obrotowy zespół dyszowy 2 jest podzielony stopniem na dwie części i ma część 8 natarcia o mniejszej ś rednicy oraz część 9 spł ywu o wię kszej ś rednicy. Należ y zauważ y ć , że jeżeli byłoby to pożądane, zespół dyszowy mógłby być podzielony na większą liczbę stopniowych części o różnych średnicach.

W ten sposób każ dy strumień 7 jest usytuowany na szeregu róż nych promieni poprowadzonych od osi obrotu obrotowego zespołu dyszowego 2, przy czym każdy strumień jest skierowany pod takim kątem, że jego efektywna strefa cięcia zachodzi na efektywną strefę cięcia sąsiednich strumieni, bądź też w przypadku najbardziej zewnętrznego strumienia wypływającego z dyszy 6, efektywna strefa cięcia rozciąga się do zewnętrznej średnicy pierścienia kalibrującego 10, opisanego poniżej.

Głowica wiertnicza do wiercenia płynem jest wyposażona ponadto w pierścień kalibrujący 10, który ma ogólnie walcowy kształt i jest oddalony od części 9 o największej średnicy obrotowego zespołu dyszowego o wewnętrzną pierścieniową szczelinę 11. Pierścieniowa szczelina 11 ma wymiary dobrane w taki sposób, aby kontrolować przepływ cząstek skalnych większych od ustalonego wymiaru, oderwanych działaniem tnącym strumieni 7 płynu, pomiędzy pierścieniem kalibrującym 10 i obrotowym zespołem dyszowym.

Korpus głowicy wiertniczej do wiercenia płynem, usytuowany względem zaznaczonego strzałką 13 kierunku posuwu do przodu głowicy wiertniczej za pierścieniem kalibrującym 10, w obszarze 12, jest podłużnie rowkowany. Rowki tworzą podłużne kanały 14 oddzielone podłużnymi żebrami 15, które zwiększają długość głowicy wiertniczej ujawnionej w australijskim opisie patentowym nr AU700032. Mimo iż na załączonym rysunku nie pokazano pozostałej części głowicy wiertniczej do wiercenia płynem, należy zdać sobie sprawę, że struktura rowkowana rozciąga się w kierunku do tyłu, znacznie

PL 199 155 B1 poza część pokazaną na rysunku, i może być prosta, śrubowa, bądź też może mieć dowolną inną, pożądaną postać.

Podłużne kanały 14 zapewniają swobodne przejście dla cząstek skalnych wypłukiwanych obok głowicy wiertniczej przez wodę, która wypłynęła w postaci strumieni 7, podczas gdy żebra 15 nie tylko kierują cząstki skalne, lecz służą także do ustalania głowicy wiertniczej wewnątrz odwiertu utworzonego w wyniku erodującego działania strumieni 7. W ten sposób można dobrać wielkość i konfigurację żeber 15, w szczególności względem ogólnej średnicy pierścienia kalibrującego 10, tak aby ograniczać stopień przekoszenia głowicy wiertniczej wewnątrz odwiertu.

W wyniku wprowadzenia pierścienia kalibrującego 10, głowica wiertnicza do wiercenia płynem nie może posunąć się wewnątrz odwiertu do przodu, dopóki, w wyniku działania strumieni wypływających z dysz 5 i 6, obrzeże odwiertu nie zostanie wystarczająco rozwiercone na żądaną średnicę. Strumień wypływający z dyszy 6 jest ukierunkowany tak, aby rozciągał się do średnicy pierścienia kalibrującego, a połączenie działania strumieni rozwiercających i pierścienia kalibrującego wytwarza czysty i względnie jednolity odwiert w skale.

Pierścień kalibrujący jest skuteczny w kontrolowaniu ruchu głowicy wiertniczej do przodu, zapobiegając nadmiernemu rozwiercaniu odwiertu w skale w obszarach miększej skały poprzez umożliwienie szybszego posuwu głowicy do przodu.

Konstrukcje pierścienia kalibrującego, głowicy tnącej i korpusu narzędzia mają na celu wyeliminowanie blokowania procesu wiercenia. Ponieważ krawędź natarcia pierścienia kalibrującego 10 ma średnicę zewnętrzną nieco większą niż średnica korpusu narzędzia wiertniczego, stwarza to wysoką dolną granicę równoważnej powierzchni przepływu pierścieniowej szczeliny utworzonej pomiędzy korpusem narzędzia wiertniczego i ścianką odwiertu.

Ponadto wprowadzenie kanałów przepływowych 14 wzdłuż korpusu narzędzia zwiększa równoważną powierzchnię przepływu pierścieniowej szczeliny, zmniejszając tym samym prawdopodobieństwo zablokowania procesu wiercenia.

Pierścieniowa szczelina utworzona pomiędzy wewnętrzną powierzchnią pierścienia kalibrującego i częścią o większej średnicy głowicy tnącej ogranicza także wielkość cząstek zwiercin, które mogą przejść przez obszar pierścieniowy pomiędzy korpusem narzędzia wiertniczego i ścianką odwiertu. Cząstki, które są zbyt duże, pozostają przed tym wewnętrznym obszarem pierścieniowym, gdzie mogą być dalej kruszone w wyniku działania strumieni wody, w szczególności strumienia nr 6. W ten sposób, poprzez odpowiedni dobór względem siebie średnicy największej części głowicy tnącej i średnicy wewnętrznej powierzchni pierścienia kalibrującego, można dobrać odpowiednią wielkość cząstek przepływających wzdłuż korpusu narzędzia tak, aby mogły przejść swobodnie wzdłuż kanałów przepływowych. Eliminuje to możliwość zmniejszenia przez te cząstki równoważnej powierzchni przepływu pierścieniowej szczeliny pomiędzy narzędziem wiertniczym i ścianką odwiertu.

Poprzez wprowadzenie stopniowanego obrotowego zespołu dyszowego 2 można usytuować dyszę rozwiercającą 6 bliżej czoła ciętej skały niż to było dotychczas możliwe, zwiększając skuteczność strumienia rozwiercającego i umożliwiając szybszy i bardziej równomierny ruch postępowy głowicy wiertniczej do wiercenia płynem.

Stopniowany obrotowy zespół dyszowy umożliwia także ustawienie pod kątem do tyłu pewnej liczby strumieni rozwiercających, jak to wyraźnie widać na fig. 1 w odniesieniu do strumieni wypływających z dysz 5 i 6. Zwiększa to parcie do przodu na głowicę wiertniczą i wspomaga przeciwdziałanie parciu wstecz od dysz 3 i 4.

Claims (8)

1. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem, mająca szereg dysz w obrotowym zespole dyszowym, przy czym dysze te są przystosowane do zasilania płynem pod wysokim ciśnieniem, tworząc strumienie usytuowane tak, aby ciąć znajdującą się w pobliżu skałę, i ustawione pod kątem tak, aby dostarczać siły reakcji rozłożonej tak, aby obracać obrotowy zespół dyszowy, przy czym głowica jest wyposażona w pierścień kalibrujący umieszczony współśrodkowo z obrotowym zespołem dyszowym i usytuowany za strumieniami wzglę dem kierunku posuwu gł owicy wiertniczej do przodu, przy czym pierścień kalibrujący ma obwód ogólnie o wymiarach tak dobranych, aby pasował do żądanego przekroju odwiertu wierconego przez głowicę wiertniczą.

PL 199 155 B1

2. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 1, w której pierścień kalibrujący ma ogólnie kształt walcowy i jest oddalony od obrotowego zespołu dyszowego o pierścieniową szczelinę, przy czym szczelina ma wymiary tak dobrane, że umożliwia przepływ cząstek skalnych oderwanych działaniem tnącym strumieni płynu, pomiędzy pierścieniem kalibrującym i obrotowym zespołem dyszowym.

3. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 1 albo 2, w której korpus głowicy wiertniczej do wiercenia płynem usytuowany za pierścieniem kalibrującym względem kierunku posuwu głowicy wiertniczej do przodu jest podłużnie rowkowany, przy czym rowki tworzą podłużne kanały do przepływu tych cząstek skalnych wzdłuż długości głowicy wiertniczej.

4. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 3, w której kanały są oddzielone podłużnymi żebrami i skonfigurowane w taki sposób, aby zapewnić żądany stopień bocznego ustalenia głowicy wiertniczej wewnątrz odwiertu uformowanego w wyniku działania głowicy wiertniczej.

5. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, w której obrotowy zespół dyszowy ma ogólnie walcowy kształt i jest stopniowany tak, że obejmuje części o różnych średnicach tak, aby wyloty z dysz usytuowanych na tych różnych częściach znajdowały się na różnych promieniach poprowadzonych od osi obrotu obrotowego zespołu dyszowego.

6. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 5, w której walcowy obrotowy zespół dyszowy ma części o dwóch różnych średnicach, przy czym istnieje część o mniejszej średnicy, sąsiadująca z powierzchnią natarcia obrotowego zespołu dyszowego, oraz część o większej średnicy, sąsiadująca z pierścieniem kalibrującym.

7. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 6, w której część o mniejszej średnicy zespołu dyszowego zawiera jedną albo większą liczbę dysz ustawionych pod kątem do przodu, przystosowanych do erodowania skały przed ruchem do przodu głowicy wiertniczej do wiercenia płynem.

8. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 6 albo 7, w której część o większej średnicy zawiera co najmniej jedną dyszę rozwiercającą usytuowaną w taki sposób, aby kierować strumień płynu na obrzeże odwiertu bezpośrednio przed krawędzią natarcia pierścienia kalibrującego.