RU2039185C1

RU2039185C1 - Apparatus for directed drilling by percussion-rotary method

Info

Publication number: RU2039185C1
Application number: RU92001971A
Authority: RU
Inventors: В.В. Федоров; А.А. Липин; В.В. Нескоромных; Ю.С. Костин
Original assignee: Иркутский политехнический институт
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 1995-07-09

Abstract

FIELD: mining. SUBSTANCE: apparatus has plunger with displaced center of gravity, on lower butt of which there is a pivot, mounted coaxially to plunger and so as to be capable for adjustable turning in respect to plunger. Lower butt of pivot has eccentrically made bulge. Plunger displaced center of gravity makes it to line up strictly with apsidal plane during mechanism operation in inclined borehole, and pivot with bulge, fixed at any given angle in respect to plunger's center of gravity, ensures delivery of oriented in accordance with required direction of curvature, eccentric strokes on rock crushing tool. Adjustment of curvature rate is carried out by pivot bulge motion in limits of space from geometric center to its edge. EFFECT: apparatus for directed drilling by percussion-rotary method is used in mining. 8 dwg

Description

Изобретение относится к бурению скважин в твердых породах, в частности направленных скважин с использованием забойных ударных механизмов. The invention relates to drilling in solid rocks, in particular directional wells using downhole impact mechanisms.

Необходимость разработки данного технического решения состоит в том, что известные технические средства для корректировки направления скважин имеют ряд недостатков, особо проявляющихся при проходке скважин на высоких скоростях присущих ударно-вращательному способу бурения. Основным из них является дискретное применение отклонителей и возможность бурения ими только на пониженных технологических режимах, что снижает производительность буровых работ. Например, за цикл искривления отклонителем удается пробурить не более 4-5 м в среднем при затратах времени 5-6 ч, что составляет скорость бурения около 1 м в час. В тоже время при алмазном бурении скорость в среднем составляет 2-3 м в час, при бурении шарошечными долотами 5-6 м в час, при бурении пневмоударниками 5-8 и более метров в час. The need to develop this technical solution lies in the fact that the known technical means for correcting the direction of the wells have a number of drawbacks that are especially evident when driving wells at high speeds inherent in the shock-rotational method of drilling. The main one is the discrete use of deflectors and the ability to drill them only at low technological conditions, which reduces the productivity of drilling operations. For example, during the curvature cycle, the diverter can drill no more than 4-5 m on average at a time cost of 5-6 hours, which is a drilling speed of about 1 m per hour. At the same time, during diamond drilling, the average speed is 2-3 m per hour, when drilling with cone bits 5-6 m per hour, when drilling with pneumatic hammers 5-8 or more meters per hour.

Для бурения направленных скважин известно применение серийновыпускающихся промышленностью пневмоударников типа РП или П, которым задают перекос в наклонной скважине под действием силы тяжести в пределах зазора между корпусом механизма и стенкой скважины. Поскольку забойный механизм получает перекос в скважине под действием силы тяжести и производит углубку перекошенным на забое породоразрушающим инструментом, то возможно изменение направления скважины только в сторону увеличения угла наклона скважины [1] Недостатком аналога является то, что во-первых, достигается низкая точность набора кривизны как по направлению, так и интенсивности набора кривизны, а во-вторых, искривление удается осуществлять только в сторону увеличения угла наклона скважины, то есть не обеспечивается искривления скважин в любом заданном направлении. For drilling directional wells, it is known to use industry-standard pneumatic hammers of the RP or P type, which are biased in an inclined well by gravity within the gap between the mechanism body and the well wall. Since the downhole mechanism gets skew in the well under the influence of gravity and produces a hole with a rock-cutting tool skewed at the bottom, it is possible to change the direction of the well only in the direction of increasing the angle of the well [1] The disadvantage of the analogue is that, firstly, low accuracy of curvature gain is achieved both in direction and intensity of the set of curvature, and secondly, the curvature can only be carried out in the direction of increasing the angle of inclination of the well, that is, it does not provide curvature with wells in any given direction.

Известно устройство ударного действия для образования скважин в грунте, которое содержит цилиндрический корпус с размещенным в нем ударником, причем последний выполнен со смещенным центром тяжести относительно продольной оси устройства. Ударник размещен в корпусе с возможностью свободного перемещения и соосно ему. К корпусу в нижней части крепится породоразрушающий инструмент [2]
Недостатком прототипа является невозможность изменения направления скважины в любую заданную сторону, так как при работе прототипа происходит поворот ударника, что не позволяет наносить внецентренные удары по породоразрушающему инструменту в одной заданной плоскости, совпадающей с направлением искривления.A shock device for the formation of wells in the soil is known, which comprises a cylindrical body with a striker located in it, the latter being made with a displaced center of gravity relative to the longitudinal axis of the device. The drummer is placed in the housing with the possibility of free movement and coaxial to him. A rock cutting tool is attached to the housing at the bottom [2]
The disadvantage of the prototype is the inability to change the direction of the well in any given direction, since when the prototype is working, the hammer rotates, which does not allow eccentric blows to the rock cutting tool in one given plane that coincides with the direction of curvature.

Цель изобретения состоит в повышении функциональных возможностей, а именно в возможности искривления скважин в любом заданном направлении и повышении точности набора кривизны. The purpose of the invention is to increase the functionality, namely, the possibility of curving wells in any given direction and improving the accuracy of the set of curvature.

Достигается это тем, что устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом содержит корпус и ударник, размещенный в корпусе соосно с ним и с возможностью свободного перемещения. При этом ударник выполнен с центром тяжести, смещенным относительно продольной оси устройства, а к нижней части корпуса крепится породоразрушающий инструмент. Согласно изобретению на нижнем торце ударника соосно с ним установлена пята с возможностью установочного поворота относительно оси ударника, а на нижнем торце пяты эксцентрично расположен выступ. This is achieved by the fact that the device for directional drilling by shock-rotational method comprises a housing and a hammer, located in the housing coaxially with it and with the possibility of free movement. In this case, the hammer is made with a center of gravity offset from the longitudinal axis of the device, and a rock cutting tool is attached to the lower part of the body. According to the invention, a heel is mounted coaxially with the heel on the lower end of the striker with the possibility of installation rotation relative to the axis of the striker, and a protrusion is eccentrically located on the lower end of the heel.

Наличие пяты, установленной с возможностью установочного поворота относительно ударника, и эксцентрично расположенного выступа на пяте отличают заявляемое устройство от прототипа и обуславливают соответствие критерию "новизна". The presence of the heel, installed with the possibility of installation rotation relative to the drummer, and an eccentrically located protrusion on the heel distinguish the claimed device from the prototype and determine compliance with the criterion of "novelty."

Совокупность признаков заявляемого изобретения, а именно наличие пяты с эксцентричным выступом, установленной с возможностью установочного поворота относительно ударника выполненного со смещенным центром тяжести относительно продольной оси устройства обеспечивают эксцентричное нанесение ударов по породоразрушающему инструменту в плоскости заданного направления искривления и позволяют производить набор кривизны в заданную сторону с высокой точностью и тем достигать цель изобретения. Совокупность признаков заявляемого устройства не выявлена при анализе уровня техники в данной области, что предполагает соответствие технического решения изобретательскому уровню. The combination of features of the claimed invention, namely the presence of a heel with an eccentric protrusion, installed with the possibility of installation rotation relative to the striker made with a shifted center of gravity relative to the longitudinal axis of the device provides eccentric striking of the rock cutting tool in the plane of a given curvature direction and allows curvature to be set in a given direction with high accuracy and thereby achieve the purpose of the invention. The set of features of the claimed device was not identified in the analysis of the prior art in this field, which suggests compliance of the technical solution with the inventive step.

На фиг.1 показана схема устройства для направленного бурения ударно-вращательным способом; на фиг.2 схема, поясняющая процесс искривления на примере реализации набора кривизны в сторону увеличения угла наклона скважины; на фиг. 3 сечение по А-А на фиг.2; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 сечение В-В на фиг.1; на фиг.6 cхема настройки устройства для искривления скважины в сторону увеличения азимутального угла скважины (фиксация пяты с выступом относительно центра тяжести поперечного сечения ударника); на фиг.7 схема, поясняющая работу ударника при его ориентации в корпусе устройства под действием смещающего момента Мс и торможения моментом трения Мтр. на фиг. 8 графики изменения моментов Мс и Мтр в зависимости от зенитного угла скважины, определяющие погрешность установки ударника в апсидальной плоскости скважины. Figure 1 shows a diagram of a device for directional drilling by shock-rotational method; figure 2 is a diagram explaining the curvature on the example of the implementation of a set of curvature in the direction of increasing the angle of inclination of the well; in FIG. 3 section along aa in figure 2; figure 4 section BB in figure 1; figure 5 section bb in figure 1; figure 6 is a diagram of the settings of the device for curving the well in the direction of increasing the azimuthal angle of the well (fixing the heel with the protrusion relative to the center of gravity of the cross section of the hammer); Fig. 7 is a diagram explaining the operation of a projectile during its orientation in the device case under the action of a biasing moment Ms and braking by a friction moment Mtr. in FIG. 8 graphs of changes in the moments of Ms and Mtr depending on the zenith angle of the well, which determine the error in the installation of the hammer in the apsidal plane of the well.

Устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом состоит из породоразрушающего инструмента 1, закрепленного на корпусе 2 с помощью шарикового фиксатора 3. Породоразрушающий инструмент 1 имеет на торце резцы 4 для разрушения породы ударом. В корпусе 2 установлены гильзы 5 и 6. Гильза 6 имеет отверстия 7, а гильза 5 отверстие 8 для движения сжатого воздуха. Внутри корпуса 2 размещен свободной посадкой в гильзах 5 и 6 и корпусе 2 ударник 9. Ударник 9 выполнен со смещением центра тяжести от его собственной продольной оси и оси устройства, размещением, например, внутри ударника 9 эксцентрично расположенной полости, заполненной утяжеленным, в сравнении со сталью, материалом 10 (свинец, вольфрам и др.). Для движения воздуха в ударнике 9 выполнены левый 11 и правый 12 каналы. На нижнем торце ударника 9 соосно с ним установлена пята 13 с возможностью установочного поворота относительно ударника 9, например, путем закрепления пяты 13 на резьбе с фиксацией положения контргайкой 14. На пяте 13 эксцентрично расположен выступ 15. Сверху на корпусе 2 установлен переходник 16 с резьбой 17 для соединения с колонной бурильных труб (в заявке не рассматривается) и каналами 18. В породоразрушающем инструменте 1 выполнен канал 19 для движения воздуха к забою скважины. The device for directional drilling by shock-rotational method consists of a rock cutting tool 1, mounted on the housing 2 using a ball retainer 3. The rock cutting tool 1 has cutters 4 at the end to destroy the rock by impact. In the housing 2, sleeves 5 and 6 are installed. The sleeve 6 has holes 7, and the sleeve 5 has a hole 8 for the movement of compressed air. Inside the housing 2 is placed a loose fit in the sleeves 5 and 6 and the housing 2 of the drummer 9. The drummer 9 is made with the center of gravity displaced from its own longitudinal axis and the axis of the device, by placing, for example, an eccentrically located cavity filled with a heavier cavity inside the drummer 9, in comparison with steel, material 10 (lead, tungsten, etc.). For the movement of air in the drummer 9, the left 11 and right 12 channels are made. At the lower end of the striker 9, a heel 13 is mounted coaxially with it so that it can be pivotally mounted relative to the striker 9, for example, by fixing the heel 13 on the thread with the lock nut 14. The protrusion 15 is eccentrically located on the heel 13. An adapter 16 with a thread is mounted on top of the body 2 17 for connection with a drill pipe string (not considered in the application) and channels 18. In the rock cutting tool 1, a channel 19 is made for air movement to the bottom of the well.

Устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом работает следующим образом. Забойный ударный механизм спускают в скважину на бурильных трубах и ставят на забой. Через бурильные трубы подается под давлением воздух, который попадает внутрь корпуса 2 через каналы 18 в переходнике 16 и далее по отверстиям 7 в гильзе 6 и каналу 12 в ударнике 9 попадает под торец пяты 13, поднимая ударник 9 в верхнее крайнее положение. Одновременно с движением воздуха по каналу 12, воздух движется по каналу 11, попадая через отверстие 8 в гильзе 5 и канал 19 под торец породоразрущающего инструмента 1 и очищая забой скважины. Перекрытие отверстий каналов 11 и 12 при перемещении ударника 9 в верхнее положение обеспечивает рост давления воздуха над ним и ударник 9 наносит удар по породоразрушающему инструменту 1 одновременно делая выхлоп воздуха на забой по каналу 11, отверстию 8 и каналу 19. Удар по породоразрушающему инструменту 1 наносится выступом 15 расположенного эксцентрично на пяте 13, зафиксированной контргайкой 14. Поскольку выступ 14 расположен эксцентрично, то и удар по породоразрушающему инструменту 1 наносится эксцентричный. В результате такого удара резцы 4 проникают в породу на забое на различную глубину, разрушая его в разной степени, т.к. удельная ударная нагрузка (фиг.2) на забой передается неравномерно: со стороны нанесенного удара наибольшая, с противоположной наименьшая. Вследствие этого и забой разрушается не с равной скоростью (фиг.5). Забой скважины получает направленное неравномерное разрушение: со стороны противоположной направлению искривления более интенсивное, что и обеспечивает набор кривизны. Нанесение ударов вращающимся породоразрушающим инструментом 1 в одну точку забоя обеспечивается тем, что ударник 9 имеет смещенный центр тяжести от продольной оси устройства и поэтому занимает в корпусе 2 одно положение под действием смещающего момента Мс, который равен:
М_c Q ˙e˙sinθsinφ где Q вес ударника 9, Н;
е расстояние от центра тяжести поперечного сечения ударника 9 до оси геометрического центра устройства, м;
θ зенитный угол скважины, градус;
φ угол между плоскостью, проходящей через продольную ось устройства и центр тяжести ударника 9, и апсидальной плоскостью скважины, градус.A device for directional drilling by shock-rotational method works as follows. The downhole percussion mechanism is lowered into the well using drill pipes and put on the bottom. Air is supplied through the drill pipes under pressure, which enters the body 2 through the channels 18 in the adapter 16 and then through the holes 7 in the sleeve 6 and the channel 12 in the hammer 9 gets under the butt end of the heel 13, raising the hammer 9 to the upper extreme position. Simultaneously with the movement of air along the channel 12, the air moves along the channel 11, falling through the hole 8 in the sleeve 5 and channel 19 under the end face of the rock cutting tool 1 and cleaning the bottom of the well. Overlapping the openings of the channels 11 and 12 while moving the hammer 9 to the upper position provides an increase in air pressure above it and the hammer 9 strikes the rock cutting tool 1 while simultaneously exhausting the air to the face along channel 11, hole 8 and channel 19. A blow to the rock cutting tool 1 is applied the protrusion 15 located eccentrically on the heel 13, fixed by a lock nut 14. Since the protrusion 14 is eccentric, then the blow to the rock cutting tool 1 is eccentric. As a result of such an impact, the cutters 4 penetrate into the rock at the bottom to a different depth, destroying it to a different degree, because the specific shock load (Fig. 2) is transmitted unevenly to the face: from the side of the delivered strike the greatest, with the smallest opposite. As a result of this, the face is not destroyed at an equal speed (Fig. 5). The bottom of the well receives directed uneven destruction: from the side opposite the direction of curvature, it is more intense, which ensures a set of curvature. Striking by a rotating rock cutting tool 1 at one bottom point is ensured by the fact that the hammer 9 has a displaced center of gravity from the longitudinal axis of the device and therefore occupies one position in the housing 2 under the action of a biasing moment Ms, which is equal to:
M _c Q ˙e˙sinθsinφ where Q is the weight of the striker 9, N;
e is the distance from the center of gravity of the cross section of the hammer 9 to the axis of the geometric center of the device, m;
θ zenith angle of the well, degrees;
φ angle between the plane passing through the longitudinal axis of the device and the center of gravity of the hammer 9, and the apsidal plane of the well, degrees.

На фиг. 7 дана схема для анализа поведения ударника 9 при работе. Как следует из формулы и фиг.7 момент Мс зависит от угла наклона скважины, веса ударника 9 и расстояния от центра тяжести ударника 9 до геометрического центра устройства. Повороту ударника 9 в положение, в котором центр тяжести занимает место в апсидальной плоскости скважины, препятствует момент трения Мтр (фиг. 7) ударника 9 о внутренние поверхности гильз 5 и 6 и корпуса 2. Однако момент Мтр будет минимальным по следующим причинам:
вибрационный характер работы устройства (1000 и более ударов в минуту), что резко снижает коэффициент трения ударника 9 о гильзы 5, 6 и корпус 2, хотя этот коэффициент и так мал, так как поверхности ударника 9 и внутренних деталей устройства тщательно подогнаны, зашлифованы и работают всегда в смазке;
ускоренное движение ударника 9, при котором он разгоняется до скорости 10-12 метров в секунду, а при ударе скорость его соответственно падает до нуля, что обеспечивает увеличение момента Мс из-за перегрузок ускорения.In FIG. 7 is a diagram for analyzing the behavior of the hammer 9 during operation. As follows from the formula and Fig. 7, the moment MS depends on the angle of inclination of the well, the weight of the hammer 9 and the distance from the center of gravity of the hammer 9 to the geometric center of the device. The rotation of the hammer 9 to a position in which the center of gravity takes place in the apsidal plane of the well is prevented by the friction moment Mtr (Fig. 7) of the hammer 9 against the inner surfaces of the shells 5 and 6 and the housing 2. However, the moment Mtr will be minimal for the following reasons:
the vibrational nature of the device’s operation (1000 or more beats per minute), which sharply reduces the coefficient of friction of the striker 9 about the sleeves 5, 6 and the housing 2, although this coefficient is so small, since the surfaces of the striker 9 and the internal parts of the device are carefully adjusted, ground and always work in grease;
accelerated movement of the striker 9, in which it accelerates to a speed of 10-12 meters per second, and when hit, its speed drops to zero, respectively, which provides an increase in the moment Ms due to acceleration overloads.

Частота вращения устройства при бурении составляет 20-60 оборотов в минуту, что также способствует устойчивому положению ударника в корпусе 2, так как центробежные силы очень малы. Если же учитывать возможность центрирования устройства в скважине, то центробежные силы будут еще меньше. The rotational speed of the device during drilling is 20-60 rpm, which also contributes to a stable position of the hammer in the housing 2, since the centrifugal forces are very small. If we take into account the possibility of centering the device in the well, then the centrifugal forces will be even less.

Таким образом происходит искривление скважины в заданной плоскости. Для изменения направления искривления пяту 13 следует повернуть и зафиксировать контргайкой 14 в нужном определенном положении относительно центра тяжести ударника 9 (см. примеры на фиг.2-6). Thus, the well bends in a given plane. To change the direction of curvature, the heel 13 should be rotated and locked with a lock nut 14 in the desired specific position relative to the center of gravity of the hammer 9 (see examples in FIGS. 2-6).

1. Пример конкретной реализации. 1. An example of a specific implementation.

Устройство для направленного бурения пневмоударник типа П-105 cо специальным ударником 9, который имеет смещенный центр тяжести от продольной оси устройства за счет заполнения полости 10 внутри ударника 9 свинцом. A device for directional drilling of a P-105 type hammer with a special hammer 9, which has a shifted center of gravity from the longitudinal axis of the device by filling the cavity 10 inside the hammer 9 with lead.

Для решения задачи изменения направления скважины с уменьшением зенитного угла пяту 13 фиксируют контргайкой 14 в положении, при котором эксцентрично расположенный выступ 15 располагается в плоскости, проходящей через геометрический центр поперечного сечения ударника 9 и его центр тяжести со стороны, противоположной центру тяжести ударника 9 (фиг.2,3,4). При бурении, когда ударник 9 наносит удары по породоразрушающему инструменту 1, происходит преимущественное разрушение забоя в верхней его части (фиг.5), что обеспечивает искривление ствола скважины в направлении выкручивания. Регулирование интенсивности искривления осуществляется заменой пяты 13 на другую, у которой выступ 15 имеет иной эксцентриситет. Так если выступ 15 расположен ближе к оси пяты 13, то передача ударного импульса на забой будет более равномерной, чем если бы эксцентриситет был большим. To solve the problem of changing the direction of the well with decreasing the zenith angle, the heel 13 is fixed with a lock nut 14 in a position in which the eccentrically located protrusion 15 is located in the plane passing through the geometric center of the cross section of the hammer 9 and its center of gravity from the side opposite to the center of gravity of the hammer 9 (Fig. .2,3,4). When drilling, when the hammer 9 strikes against the rock cutting tool 1, there is a predominant destruction of the bottom in its upper part (figure 5), which ensures curvature of the wellbore in the direction of twisting. The intensity of the curvature is controlled by replacing the heel 13 with another, in which the protrusion 15 has a different eccentricity. So if the protrusion 15 is located closer to the axis of the heel 13, then the transmission of the shock pulse to the bottom will be more uniform than if the eccentricity was large.

2. П р и м е р. Задача: искривление скважины с увеличением азимутального угла. 2. PRI me R. Task: bending the well with increasing azimuth angle.

Для решения данной задачи пяту 13 с выступом фиксируют на ударнике 9 таким образом, чтобы плоскости, проходящие через центр тяжести ударника 9, и направление искривления пересекались под прямым углом, а выступ 15 оставался слева от заданного направления искривления (фиг.6). To solve this problem, the heel 13 with the protrusion is fixed on the hammer 9 so that the planes passing through the center of gravity of the hammer 9 and the direction of curvature intersect at right angles, and the protrusion 15 remains to the left of the specified direction of curvature (Fig.6).

Использование предлагаемого устройства для направленного бурения позволяет по сравнению с известными устройствами повысить точность набора кривизны, так как в предлагаемом устройстве производится точная настройка как для изменения направления скважины (поворотом и фиксацией пяты 13), так и для изменения интенсивности искривления (смешением выступа 15 от центра пяты к его периферии). При этом достигается высокая степень точности установки ударника 9 в апсидальной плоскости при работе в скважинах с зенитными углами более 10^о (фиг.8). Кроме того, предлагаемое устройство универсально по искривлению скважин, так как его использование позволяет менять направление ствола скважины в любую заданную сторону.Using the proposed device for directional drilling, in comparison with the known devices, it is possible to increase the accuracy of the set of curvature, since the proposed device performs fine tuning both for changing the direction of the well (by turning and fixing the heel 13) and for changing the intensity of curvature (by mixing the protrusion 15 from the center heels to its periphery). This achieves a high degree of accuracy of the installation of the hammer 9 in the apsidal plane when working in wells with zenith angles of more than 10 ^about (Fig. 8). In addition, the proposed device is universal for the curvature of wells, since its use allows you to change the direction of the wellbore in any given direction.

Claims

DEVICE FOR DIRECTED DRILLING BY SHOCK AND ROTARY METHOD, comprising a housing, a hammer, made with a center of gravity offset from the longitudinal axis of the device and placed in the housing coaxially with it with the possibility of free movement and a rock cutting tool, characterized in that the lower end of the hammer is aligned with it a heel is installed with the possibility of installation rotation about the axis of the striker, and a protrusion is eccentrically located on the lower end of the heel.