PL226832B1 - Konstrukcja dyszy głowicy wiertniczej dowiercenia płynem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy konstrukcji dysz i obrotowego zespołu dyszowego do głowicy wiertniczej do wiercenia płynem typu opisanego ogólnie w naszym wcześniejszym, międzynarodowym zgłoszeniu patentowym PCT/AU02/01550 (publikacja międzynarodowa Nr WO 03/042491 A1), którego treść włączono do niniejszego na zasadzie odniesienia.

W znanych wcześniej postaciach głowic wiertniczych do wiercenia płynem było powszechną praktyką stosowanie dyszy typu znanego jako „dysza tubowa”, mającej rozbieżną część wylotową skonstruowaną w celu wytwarzania chmury kawitacyjnej dużej mocy do cięcia albo urabiania skały w operacji wiercenia. Takie urządzenie pokazano na figurze 2 niniejszego opisu.

Dalsze badania prowadzone przez zgłaszających wykazały, że choć chmura kawitacyjna wytwarzana przez dysze tubowe tego typu jest oczywiście bardzo silna, jest ona wytwarzana w położeniu oddalonym od wylotu dyszy. Strefa pomiędzy chmurą kawitacyjną i wylotem dyszy jest „strefą martwą”, która nie jest skuteczna w cięciu skały sąsiadującej z wylotem dyszy. Stosownie do powyższego, rozmieszczenie takich dysz celem generowania równej i kroczącej geometrii jest bardzo trudne ze względu na martwą strefę bezpośrednio przed strumieniami pilotującymi przy krawędzi natarcia głowicy tnącej do cięcia płynem i efektywna konstrukcja głowicy tnącej do cięcia płynem jest także trudna ze względu na fizyczne wielkości dysz tubowych. Znane urządzenia typu pokazanego na figurze 2 wymagają wolnego przemieszczania w odwiercie, aby zapewnić, że cięta skała będzie pozostawać w oddaleniu od przodu głowicy. Jeżeli narzędzie podejdzie zbyt blisko skały, skała znajdzie się w martwej strefie i spowoduje to „utknięcie”.

Niniejszy wynalazek dostarcza więc głowicy tnącej do cięcia płynem typu mającego szereg dysz w obrotowym zespole dyszowym do wykonywania przez cięcie odwiertu w skale, przy czym wspomniane dysze są przystosowane do zasilania płuczką wiertniczą pod wysokim ciśnieniem, tworząc strumienie ustawione tak, by cięły znajdującą się w sąsiedztwie skałę. Wspomniane dysze zawierają jedną lub większą liczbę skierowanych ogólnie osiowo dysz pilotujących oraz jedną lub większą liczbę skierowanych ogólnie promieniowo dysz rozwiercających. Głowica tnąca według wynalazku charakteryzuje się tym, że co najmniej dysze pilotujące mają niezwężającą się sekcję wylotową tak, że wydostający się z nich strumień ma zasadniczo stały przekrój poprzeczny w strefie bezpośrednio sąsiadującej z sekcją wylotową.

Korzystnie, dysze rozwiercające także charakteryzują się niezwężającą się sekcją wylotową tak, że wydostający się z nich strumień ma zasadniczo stały przekrój poprzeczny w strefie bezpośrednio sąsiadującej z sekcją wylotową.

Korzystnie, prowadząca część obrotowego zespołu dyszowego zawierająca dysze pilotujące ma znacznie mniejszą średnicę niż dalsza część obrotowego zespołu dyszowego zawierającego dysze rozwiercające.

Korzystnie, dalsza część obrotowego zespołu dyszowego jest utworzona w sposób schodkowy, w postaci stopni o stopniowo rosnących średnicach, przy czym w każdym stopniu jest usytuowana jedna dysza rozwiercająca tak, że strumień wydostający się z każdej dyszy rozwiercającej jest usytuowany blisko znajdującej się w sąsiedztwie powierzchni odwiertu.

Pomimo dowolnych innych postaci, które mogą wchodzić w jego zakres, jedna korzystna postać wynalazku zostanie obecnie opisana jedynie w charakterze przykładu, w odniesieniu do załączonych rysunków, na których:

Figura 1 przedstawia widok boczny głowicy wiertniczej do wiercenia płynem według wynalazku;

Figura 2 przedstawia schematycznie znaną głowicę wiertniczą do wiercenia płynem, ukazując tworzenie się chmur kawitacyjnych oddalonych od wylotów dysz;

Figura 3 przedstawia w widoku perspektywicznym z prawej strony obrotowy zespół dyszowy głowicy wiertniczej do wiercenia płynem według wynalazku;

Figura 4 przedstawia w widoku perspektywicznym z lewej strony obrotowy zespół dyszowy głowicy wiertniczej do wiercenia płynem według wynalazku;

Figura 5 przedstawia w widoku z przodu obrotowy zespół dyszowy pokazany na figurach 3 i 4;

Figura 6 przedstawia widok z boku obrotowego zespołu dyszowego pokazanego na figurach 3 i 4, i

Figura 7 przedstawia w przekroju poprzecznym dyszę typu używanego w głowicy wiertniczej do wiercenia płynem według wynalazku.

PL 226 832 B1

W korzystnej postaci wynalazku, głowica wiertnicza 8 do wiercenia płynem ma typowo obrotowy zespół dyszowy 9 oraz może zawierać inne elementy, takie jak pierścień kalibrujący 10 zamontowany na prowadzącym końcu korpusu 11 głowicy wiertniczej.

Bardziej szczegółowa konfiguracja obrotowego zespołu dyszowego 9 będzie opisana w dalszym ciągu w odniesieniu do figur 3 do 7, które przedstawiają w jaki sposób można zoptymalizować konstrukcję i rozmieszczenie dysz, aby przezwyciężyć problemy związane z typową znaną głowicą wiertniczą do wiercenia płynem typu oznaczonego jako 12 na figurze 2.

W typowych znanych głowicach wiertniczych do wiercenia płynem, obrotowy zespół dyszowy 13 ma dysze pilotujące 14 i dysze rozwiercające 15, które mają typowo konstrukcję „dyszy tubowej”, mającej rozbieżną wylotową część. Dysze tego typu wytwarzają chmury kawitacyjne dużej mocy, pokazane schematycznie jako 16, które są skuteczne w cięciu i kruszeniu skały. Na podstawie dokładnych badań laboratoryjnych stwierdzono, że choć chmury kawitacyjne 16 wytwarzane przez dysze 14 i 15 są oczywiście bardzo silne, są one oddalone od wylotów dysz, jak wyraźnie pokazano na figurze 2, czego skutkiem jest „martwa strefa” 17 pomiędzy chmurą kawitacyjną 16 i wylotami dysz. Ze względu na martwą strefę, znane narzędzia tego rodzaju należy wolno przemieszczać w otworze, aby zapewnić, że cięta skała pozostanie oddalona od przedniej powierzchni 18 głowicy. Gdy tylko przednia powierzchnia 18 przemieszcza się zbyt szybko do czoła skały, chmura kawitacyjna 16 przestaje być skuteczna i strumień uderza w czoło skały w martwej strefie 17.

Niniejszy wynalazek przezwycięża tę wadę dostarczając dysz typu pokazanego na figurze 7, gdzie dysza 18 jest typowo wprowadzona w otwór 19 utworzony w obrotowym zespole dyszowym 20 i przymocowana tam za pomocą gwintowego połączenia 21.

Dysza jest typowo utworzona w taki sposób, aby znajdowała się w pogłębieniu 22, toteż wierzchołek gwintu 23 dyszy leży w jednej płaszczyźnie z podstawą pogłębienia.

Podczas gdy wlotowa część 24 każdej dyszy jest typowo zbieżna do wewnątrz, aby zwiększyć prędkość wody pod wysokim ciśnieniem pompowanej przez dyszę, sekcja wylotowa 25 jest utworzona jako nie zwężająca się sekcja, jak wyraźnie widać na figurze 7, toteż strumień wydostający się z niej ma zasadniczo stały przekrój poprzeczny w strefie bezpośrednio sąsiadującej z sekcją wylotową.

Stwierdzono, że zastosowanie dysz utworzonych zgodnie z tą konfiguracją daje strumień, który jest skuteczny w cięciu albo kruszeniu skały bezpośrednio sąsiadującej z wylotem z dyszy, unikając w ten sposób powstawania martwej strefy 17, występującej typowo w znanych konfiguracjach dyszy.

Aby zmaksymalizować działanie tnące skałę tego typu dysz stwierdzono też, że jest bardziej efektywne, aby tworzyć obrotowy zespół dyszowy w sposób schodkowy tak, że prowadząca część 26 zawierająca dysze pilotujące tworzące strumień 1 i strumień 2 ma znacznie mniejszą średnicę niż dalsza część 27 obrotowego zespołu dyszowego zawierająca dysze rozwiercające.

Dysze rozwiercające 3, 4, 5 i 6 są typowo usytuowane w taki sposób, aby dostarczały strumienie rozwiercające, jak pokazano na figurach 3 i 4 i są usytuowane odpowiednio w miejscach oznaczonych odnośnikami 29, 30, 31 i 32, jak można wyraźnie zobaczyć na figurze 6.

W ten sposób, dalsza część 27 obrotowego zespołu dyszowego 9 jest utworzona w sposób schodkowy o stopniowo rosnących średnicach, przy czym w każdym stopniu jest usytuowana jedna dysza rozwiercająca tak, że strumień wydostający się z każdej dyszy rozwiercającej jest usytuowany blisko sąsiadującej powierzchni odwiertu.

Stwierdzono, iż najbardziej efektywne z punktu widzenia maksymalizacji działania każdego strumienia rozwiercającego jest, aby umożliwić strumieniom rozwiercającym wydostawanie się ze swych dysz blisko powierzchni odwiertu przeznaczonego do rozwiercania i powiększania aż do osiągnięcia finalnej średnicy odwiertu. Ostatecznie, średnicę odwiertu reguluje pierścień kalibrujący 10.

Ten efekt optymalizuje się zmniejszając średnicę prowadzącej części 26 na tyle, na ile jest to fizycznie możliwe, toteż funkcja cięcia strumienia pilotującego ulega osłabieniu w porównaniu ze stopniowym powiększaniem średnicy odwiertu przez strumienie rozwiercające w dalszych schodkowych częściach 27.

W połączeniu z zastosowaniem dysz opisanego wcześniej typu, umożliwia to strumieniom rozwiercającym działanie blisko czoła skały i stopniowe zwiększanie średnicy otworu w sposób schodkowy. Skierowanie do tyłu strumieni rozwiercających także umożliwia o wiele bardziej skuteczne kruszenie skały w tej bezpośredniej bliskości.

Badania laboratoryjne wykazały, że strefa w obrębie około 5 mm od wylotu z każdego strumienia rozwiercającego jest wysoce niszcząca, o wiele bardziej niż oddalona chmura kawitacyjna dysz tubowych używanych w znanych urządzeniach.

PL 226 832 B1

Rzeczywiste średnice wylotów dysz dobiera się w zależności od rodzaju skały przeznaczonej do cięcia, podobnie jak ciśnienie wody doprowadzanej do dysz przez głowicę wiertniczą do wiercenia płynem. Badania wykazały, że wiercenie jest skuteczne przy ciśnieniach od 48 MPa do 73 MPa. Ciśnienie 48 MPa jest lepsze w przypadku węgli błyszczących, zaś ciśnienie 73 MPa jest lepsze w pasmach iłowca i piaskowcu.

Średnice dyszy zmieniają się w zależności od materiału i usytuowania dyszy. Przednie dysze pilotujące nie muszą mieć średnicy większej niż 0,7 mm do 1,0 mm. Najlepiej jest zminimalizować te wielkości, aby poprawić przedni nacisk netto narzędzia, a niewielka zmiana czyni dużą różnicę, gdyż są one praktycznie skierowane prosto do przodu. Dysze rozwiercające pracują dobrze w zakresie pomiędzy 0,5 mm i 1,3 mm, znów w zależności od warunków w złożu węgla. Otwór o długości 310 m wywiercono stosując dysze 0,8 skierowane do przodu, 0,9 skierowane ukośnie do przodu oraz trzy dysze rozwiercające 1,1 w tej głowicy. Dało to jednak prędkość penetracji około 1 m/min.

W ten sposób można dostarczyć obrotowego zespołu dyszowego do głowicy wiertniczej do wiercenia płynem, który umożliwia większe prędkości wiercenia niż uzyskiwano wcześniej przy użyciu znanych głowic wiertniczych, a ponadto umożliwia dokładniejszą kontrolę wielkości odwiertu i efektywne rozmieszczenie dysz rozwiercających.

Claims (8)

1. Głowica tnąca do cięcia płynem typu mającego szereg dysz w obrotowym zespole dyszowym do hydraulicznego wykonywania przez cięcie odwiertu w skale, przy czym wspomniane dysze są przystosowane do zasilania płuczką wiertniczą pod wysokim ciśnieniem, tworząc strumienie ustawione tak, by cięły znajdującą się w sąsiedztwie skałę, przy czym wspomniane dysze zawierają jedną lub większą liczbę skierowanych ogólnie osiowo dysz pilotujących oraz jedną lub większą liczbę skierowanych ogólnie promieniowo dysz rozwiercających, znamienna tym, że co najmniej dysze pilotujące mają niezwężającą się sekcję wylotową tak, że wydostający się z nich strumień ma zasadniczo stały przekrój poprzeczny w strefie bezpośrednio sąsiadującej z sekcją wylotową, przy czym prowadząca część obrotowego zespołu dyszowego zawierająca dysze pilotujące ma znacznie mniejszą średnicę niż dalsza część obrotowego zespołu dyszowego zawierająca dysze rozwiercające.

2. Głowica według zastrz. 1, w której dysze rozwiercające także charakteryzują się niezwężającą się sekcją wylotową tak, że wydostający się z nich strumień ma zasadniczo stały przekrój poprzeczny w strefie bezpośrednio sąsiadującej z sekcją wylotową.

3. Głowica według zastrz. 2, w której dysze rozwiercające są zorientowane tak, że strumienie wydostające się z nich są skierowane ukośnie do tyłu względem kierunku przemieszczania się głowicy tnącej.

4. Głowica według jednego z zastrz. 1 do 3, w której dalsza część obrotowego zespołu dyszowego jest utworzona w sposób schodkowy, w postaci stopni o stopniowo rosnących średnicach, przy czym w każdym stopniu jest umieszczona co najmniej jedna dysza rozwiercająca tak, że strumień wydostający się z każdej dyszy rozwiercającej jest usytuowany blisko znajdującej się w sąsiedztwie powierzchni odwiertu.

5. Głowica według jednego z zastrz. 1 do 4, w której jedna albo większa liczba dysz ma/mają wlotową część zwężającą się do wewnątrz, przed niezwężającą się sekcją wylotową, patrząc w kierunku przepływu.

6. Głowica według jednego z zastrz. 1 do 5, w której dysze pilotujące mają średnicę wewnętrzną mniejszą niż 1,0 mm.

7. Głowica według jednego z zastrz. 1 do 6, w której dysze rozwiercające mają średnicę wewnętrzną mniejszą niż 1,3 mm.

8. Głowica według zastrz. 7, w której dysze rozwiercające mają średnicę wewnętrzną pomiędzy 0,5 mm i 1,3 mm.