RU2054517C1

RU2054517C1 - Device for well drilling

Info

Publication number: RU2054517C1
Application number: RU93007876A
Authority: RU
Inventors: Н.А. Петров; М.М. Мухаметшин
Original assignee: Научно-производственная фирма "Эридан-Экспо"
Priority date: 1993-02-11
Filing date: 1993-02-11
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: device for well drilling has circular holder to which hinges are connected. Holder and body are splined jointed to each other. Stop is made in form of ring. Pushers are located in body radial channels and spring-loaded to be returned to transportation position. Collar is installed in body axial channel, and hollow is filled with oil. EFFECT: higher efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к строительству наклонных и горизонтальных скважин, а именно к устройствам в составе компоновки бурильной колонны с забойным двигателем. The invention relates to the mining industry, in particular to the construction of deviated and horizontal wells, and in particular to devices as part of a drill string assembly with a downhole motor.

Известно устройство для бурения скважин, включающее полый корпус с присоединительными резьбами, рычаги, закрепленные одним концом в кольцевой обойме, соединенные с рычагами скобы, вращающиеся на горизонтальных осях между скобами шарошки [1]
Недостатком этого устройства является невысокая надежность центрирования в наклонных скважинах ввиду высокой деформирующей способности рычагов (рессорных планок). Поскольку обойма соединена с корпусом посредством подшипника скольжения, устройство не препятствует передаче реактивного момента забойного двигателя и крутильных колебаний на вышележащий участок бурильной колонны.A device for drilling wells, comprising a hollow body with connecting threads, levers fixed at one end in an annular yoke, connected to the levers of the bracket, rotating on horizontal axes between the cones [1]
The disadvantage of this device is the low reliability of centering in deviated wells due to the high deforming ability of the levers (spring bars). Since the cage is connected to the housing by means of a plain bearing, the device does not interfere with the transfer of the reactive moment of the downhole motor and torsional vibrations to the overlying section of the drill string.

Известно также устройство для бурения скважин, включающее корпус с присоединительными резьбами, осевой и радиальные каналы корпуса, тяги, шарнирно связанные нижним концом с корпусом, встроенные в верхние концы тяг вращающиеся шарошки на осях, размещенных в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, толкатели тяг, прикрепленную к корпусу кольцевую упругую манжету и образующую с ним полость [2]
Недостатком этого устройства является невысокая надежность работы устройства ввиду создания благоприятных условий для возникновения усталостных напряжений в жестком соединении упругой кольцевой манжеты с толкателями тяг, поскольку при работе устройства толкатели совершают перемещения не только в поперечном сечении к стенкам скважины, но и в продольной плоскости вниз, так как ось вращения тяг находится в крайней нижней точке в соединении с корпусом. При расширении кольцевой упругой манжеты полость между последней и корпусом через радиальные каналы заполняется буровым раствором, что создает условия для накопления осадка (песка, частиц глины и др.) в плоскости. Перед наращиванием циркуляцию останавливают, в результате сброса давления манжета сжимается и уплотняет осадок. После очередного наращивания в полость поступает новая порция бурового раствора, которая вновь уплотняется. Перед подъемом бурильной колонны может накопиться такое количество уплотненного осадка, что манжета не сможет принять исходное положение и тяги останутся отодвинутыми, что создаст осложнения при подъеме из-за задиров и заклинок о уступы в кавернозных участках ствола скважины и повлечь поломку тяг устройства или прихват бурильной колонны. Поскольку толкатели жестко соединены с упругой кольцевой манжетой и не должны воспринимать крутящие моменты ввиду их быстрой поломки и разрыва при этом, устройство усложнено введением дополнительных вилок, расположенных ниже упругой манжеты (расположение вилок выше упругой манжеты недопустимо из-за необходимости при этом большого выдвижения из корпуса поближе к стенкам скважины, что недопустимо), что нагромождает конструкцию, а помимо того, недостаточно надежно, поскольку увеличивается расстояние между роликом и вилкой и уменьшается расстояние между нижним концом тяги и вилками и этот своеобразный рычаг усиливает изгибающие нагрузки, действующие на вилки, поэтому повышается вероятность их поломки.A device for drilling wells is also known, including a housing with connecting threads, axial and radial channels of the housing, rods pivotally connected with the lower end to the housing, rotating cones mounted on the upper ends of the rods on axes placed in a plane perpendicular to the axis of the housing, rod pushers, attached an annular elastic cuff and a cavity forming with it [2]
The disadvantage of this device is the low reliability of the device due to the creation of favorable conditions for the occurrence of fatigue stresses in the rigid connection of the elastic ring cuff with the rod pushers, since when the device is operating, the pushers move not only in the cross section to the borehole walls, but also in the longitudinal plane downwards how the axis of rotation of the rods is at the lowest point in connection with the housing. When expanding the annular elastic cuff, the cavity between the latter and the body through the radial channels is filled with drilling fluid, which creates conditions for the accumulation of sediment (sand, clay particles, etc.) in the plane. Before building, circulation is stopped, as a result of pressure relief, the cuff is compressed and compacts the sediment. After the next build-up, a new portion of the drilling fluid enters the cavity, which is again compacted. Before lifting the drill string, so much compacted sediment may accumulate that the cuff cannot return to its original position and the thrusts will remain pushed back, which will create difficulties when lifting due to scoring and stepping spells in the cavernous sections of the wellbore and cause damage to the device rods or sticking of the drill string . Since the pushers are rigidly connected to the elastic annular collar and must not absorb torques due to their quick breakdown and rupture, the device is complicated by the introduction of additional forks located below the elastic collar (the location of the forks above the elastic collar is unacceptable due to the need for a large extension from the housing closer to the walls of the well, which is unacceptable), which piles the structure, and in addition, is not reliable enough, since the distance between the roller and the fork increases and decreases the distance between the lower end of the rod and the forks and this kind of lever reinforces the bending loads acting on the forks, therefore, the likelihood of breakage increases.

Цель изобретения повышение надежности. The purpose of the invention is improving reliability.

Цель достигается тем, что в устройстве для бурения скважин кольцевая упругая манжета установлена в осевом канале корпуса, толкатели размещены в радиальных каналах корпуса и подпружинены, а полость заполнена маслом, при этом корпус снабжен кольцевым упором над толкателями и кольцевой обоймой, с которой шарнирном соединены нижние концы тяг, а кольцевая обойма с корпусом соединены шлицевым соединением. The goal is achieved by the fact that in the device for drilling wells, an annular elastic cuff is installed in the axial channel of the housing, the pushers are placed in the radial channels of the housing and spring-loaded, and the cavity is filled with oil, while the housing is equipped with an annular stop above the pushers and an annular cage to which the lower the ends of the rods, and the annular ferrule with the housing are connected by a spline connection.

Совокупность заявляемых признаков технического решения не известна из уровня техники. The totality of the claimed features of a technical solution is not known from the prior art.

Толкатель в заявляемом техническом решении выполняет в сравнении с прототипом дополнительные функции поршня и вилок. Поскольку устройство снабжено обоймой, соединенной шлицевым соединением с корпусом, на толкатели не действуют изгибающие усилия вниз в продольном сечении при отходе тяг от корпуса, так как в этом случае ось вращения тяг перенесена в место соединения с толкателями, поэтому обойма приподнимается. В данном случае шлицевое соединение необходимо и для предупреждения проворота обоймы. Одновременно решается проблема в снижении изгибающих усилий в поперечном сечении, действующих от восприятия тягами с роликами реактивного момента, так как толкатели ближе можно расположить, в сравнении с вилками в прототипе, к роликами. Кроме того, упругая кольцевая манжета в заявляемом устройстве изменяет свою функцию на противоположную, то есть не увеличивает объем полости между ней и корпусом, а наоборот, уменьшает, что позволяет заполнить полость маслом или раствором полимера, а значит, исключить накопления осадка в полости и дополнительно улучшить условия работы толкателя поршня, что повышает долговечность надежной работы механизмов устройства. The pusher in the claimed technical solution performs, in comparison with the prototype, additional functions of the piston and forks. Since the device is equipped with a cage connected by a spline connection to the casing, the pushers are not affected by bending forces downward in the longitudinal section when the rods move away from the casing, since in this case the axis of rotation of the rods is moved to the junction with the pushers, so the cage is lifted. In this case, a spline connection is necessary to prevent the rotation of the cage. At the same time, the problem of reducing bending forces in the cross section, acting from the perception of thrusts with rollers of the reactive moment, is solved, since the pushers can be positioned closer to the rollers in comparison with the forks in the prototype. In addition, the elastic ring cuff in the inventive device changes its function to the opposite, that is, it does not increase the volume of the cavity between it and the body, but, on the contrary, decreases, which allows filling the cavity with oil or a polymer solution, which means to exclude the accumulation of sediment in the cavity and additionally improve the working conditions of the piston pusher, which increases the durability of the reliable operation of the mechanisms of the device.

При введении дополнительных деталей и изменений в заявляемую конструкцию устройства детали выполняют новые и/или дополнительные функции, которые находятся в новых взаимосвязях с другими элементами конструкции, что в целом существенно сказывается на повышении надежности и долговечности работы устройства. Однако эти все нововведения в совокупности явным образом не следуют из уровня техники, поэтому техническое решение имеет изобретательский уровень. With the introduction of additional parts and changes to the claimed design of the device, the parts perform new and / or additional functions that are in new relationships with other structural elements, which generally significantly affects the reliability and durability of the device. However, all these innovations in the aggregate do not explicitly follow from the prior art, therefore, the technical solution has an inventive step.

Изобретение является промышленно применимым в настоящее время, поскольку, ввиду простоты конструкции, не возникнут сложности в его изготовлении и есть необходимость использования, например в нефтяной и газовой промышленности, геологии и др. при бурении скважин для повышения показателей бурения за счет предупреждения зависания УБТ и повышения нагрузки на долото, повышения точности управления азимутом наклонной скважины, повышения долговечности бурильной колонны при снижении интенсивности ее крутильных колебаний и др. The invention is industrially applicable at the present time, since, due to the simplicity of the design, there will be no difficulties in its manufacture and there is a need for use, for example, in the oil and gas industry, geology, etc. when drilling wells to increase drilling performance by preventing drill collapse and increasing load on the bit, improve the accuracy of azimuth control of an inclined well, increase the durability of the drill string while reducing the intensity of its torsional vibrations, etc.

Таким образом, заявляемое устройство для бурения скважин соответствует требованиям, предъявляемым к изобретению, для предоставления правовой охраны. Thus, the inventive device for drilling wells meets the requirements of the invention, to provide legal protection.

На фиг. 1 показано устройство в транспортном положении; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 положение элементов устройства в процессе бурения. In FIG. 1 shows a device in a transport position; in FIG. 2, section AA in FIG. 1; in FIG. 3 position of the elements of the device during drilling.

Устройство для бурения скважин состоит из корпуса 1 с присоединительными резьбами 2 и осевым каналом 3. В стенках корпуса 1 выполнены радиальные каналы 4, в которые установлены подпружиненные толкатели 5 и уплотнены резиновыми кольцами 6. Толкатели 5 связаны с тягами 7, переходящими в верхней части в скобы 8, между которыми на осях 9, лежащих в плоскости, перпендикулярной оси корпуса 1, закреплены шарошки 10. Нижние концы тяг 7 посредством шарниров 11 соединены с кольцевой обоймой 12. Внутренняя поверхность обоймы 12, контактирующая с корпусом 1, выполнена с шлицевыми выступами 13, а корпус 1 в нижней части соответственно с шлицевыми пазами 14. В осевом канале 3 корпуса 1 размещена упругая кольцевая манжета 15 с обжимными стаканами 16, которые снизу и сверху зафиксированы ввертышами 17. Полость 18 между упругой кольцевой манжетой 15 и корпусом 1 заполнена маслом 19. В стенке корпуса 1 выполнено отверстие 20 для заполнения полости 18 маслом 19 и ввернута пробка 21. Над толкателями 5 на корпусе 1 жестко укреплен кольцевой упор 22 тяг 7 для предупреждения контакта шарошек 10 с корпусом 1 в процессе спуско-подъемных операций. A device for drilling wells consists of a housing 1 with connecting threads 2 and an axial channel 3. Radial channels 4 are made in the walls of the housing 1, into which spring-loaded pushers 5 are mounted and sealed with rubber rings 6. Pushers 5 are connected to rods 7 that extend into the upper part staples 8, between which on the axes 9 lying in a plane perpendicular to the axis of the housing 1, cones 10 are fixed. The lower ends of the rods 7 are connected via an hinge 11 to an annular yoke 12. The inner surface of the yoke 12 in contact with the housing 1 is made apron with splined protrusions 13, and the housing 1 in the lower part, respectively, with splined grooves 14. In the axial channel 3 of the housing 1 there is an elastic annular collar 15 with crimp cups 16, which are fixed from the bottom and top by screwdrivers 17. The cavity 18 between the elastic annular collar 15 and the housing 1 is filled with oil 19. An opening 20 is made in the wall of the housing 1 to fill the cavity 18 with oil 19 and the plug 21 is screwed. Above the pushers 5 on the housing 1, the ring stop 22 of the rods 7 is rigidly fixed to prevent contact of the cones 10 with the housing 1 during the descent n operations.

Устройство устанавливают в компоновке низа бурильной колонны над забойным двигателем. Может устанавливаться несколько устройств, при этом последующие располагают между утяжеленными бурильными трубами, между последними и бурильными трубами. The device is installed in the layout of the bottom of the drill string above the downhole motor. Several devices can be installed, with the subsequent placed between the drill pipe, between the latter and the drill pipe.

Устройство для бурения скважин работает следующим образом. A device for drilling wells works as follows.

В процессе спуска бурильной колонны тяги 7 упираются о кольцевой упор 22, при этом шарошки 10, перекатываясь по стенкам скважины 23, удаляют рыхлые слои глинистой корки и, центрируя колонну, уменьшают биения в стволе скважины. During the descent of the drill string, the thrust 7 abuts against the annular stop 22, while the cones 10, rolling along the walls of the bore 23, remove loose layers of clay cake and, centering the string, reduce runout in the borehole.

После спуска бурильной колонны восстанавливают циркуляцию. При повышении давления над турбобуром кольцевая упругая манжета 15 расширяется, что влечет уменьшение полости 18 и масло 19 выталкивает толкатели 5. Толкатели 5, выдвигаясь из радиальных каналов 4, воздействуют на тяги 7, которые отводят шарошки 10 к стенкам скважины 23. При этом тяги 7 одновременно влекут за собой и приподнимают обоймы 12, что предупреждает изгиб толкателей 5 вниз. В процессе углубления скважины шарошки 10 перекатываются по стенкам скважины вниз, удаляя перед собой рыхлые слои глинистой корки, уплотняют и вдавливают в горную породу нижние более плотные слои, создавая при этом бороздку. Реактивный момент турбобура передается от корпуса 1 через шлицевое соединение 13-14 обойме 12, а через радиальные каналы 4 толкателям 5 и от них через тягу 7 к шарошкам 10. Ввиду плотного прилегания шарошек 10 к стенкам скважины и трения между ними реактивный момент забойного двигателя и крутильные колебания гасятся устройством и не передаются на вышележащие участки колонны. After lowering the drill string, circulation is restored. With increasing pressure above the turbodrill, the annular elastic cuff 15 expands, which leads to a decrease in the cavity 18 and the oil 19 pushes the pushers 5. The pushers 5, moving out of the radial channels 4, act on the rods 7, which lead the cones 10 to the walls of the well 23. In this case, the rods 7 at the same time entail and lift the clips 12, which prevents the bend of the pushers 5 down. In the process of deepening the well, cones 10 roll down the walls of the borehole, removing the loose layers of clay crust in front of them, compress the lower denser layers into the rock, creating a groove. The jet moment of the turbo-drill is transmitted from the housing 1 through the splined connection 13-14 to the yoke 12, and through the radial channels 4 to the pushers 5 and from them through the rod 7 to the cones 10. Due to the tight fit of the cones 10 to the walls of the borehole and the friction between them, the reactive moment of the downhole motor and torsional vibrations are damped by the device and are not transmitted to overlying sections of the column.

По окончании долбления останавливают циркуляцию бурового раствора, движение в трубном пространстве падает, упругая кольцевая манжета 15 отходит от корпуса 1 и уменьшается давление в полости 18. Подпружиненные толкатели 15 возвращают тяги 7 с шарошками 10 в исходное положение до кольцевого упора 22, при этом обойма 12 приспускается вниз. At the end of the chiselling, the circulation of the drilling fluid is stopped, the movement in the pipe space drops, the elastic annular collar 15 moves away from the housing 1 and the pressure in the cavity 18 decreases. The spring-loaded pushers 15 return the rods 7 with cones 10 to their original position to the annular stop 22, while the cage 12 sits down.

В процессе подъема бурильной колонны шарошки 10 вращаются в противоположную сторону и также, частично центрируя колонну, уменьшают ее биение в стволе скважины. In the process of lifting the drill string, the cones 10 rotate in the opposite direction and also, partially centering the string, reduce its runout in the wellbore.

Эффективность устройства заключается в обеспечении надежности центрирования компоновки низа бурильной колонны в скважине в процессе спуско-подъемных операций и в процессе бурения, последнее же сказывается на повышении нагрузки на долото утяжеленными бурильными трубами за счет предупреждения их зависания; в создании благоприятных условий работы бурильной колонны ввиду исключения крутильных колебаний бурильной колонны, вызванных реактивным моментом турбобура; повышении надежности выполнения устройством прямых функций без поломок ввиду того, что изгибающие усилия от реактивного момента турбобура воспринимают непосредственно толкатели, максимально приближенные к роликам; повышении надежности герметизации колонного и заколонного пространства устройства; повышении точности управления азимутом наклонной скважины при гашении реактивного момента турбобура ввиду исключения этой постоянно меняющейся, зависящей от многих факторов поправки; повышении надежности принятия устройством исходного транспортного положения перед подъемом бурильной колонны и предупреждения тем самым осложнений и аварийной ситуации. The effectiveness of the device is to ensure the reliability of centering the layout of the bottom of the drill string in the well during tripping and drilling operations, the latter affects the increase in the load on the bit by weighted drill pipes by preventing them from hanging; in creating favorable working conditions for the drill string due to the elimination of torsional vibrations of the drill string caused by the turbo-drill jet moment; improving the reliability of the device to perform direct functions without breakdowns due to the fact that the bending forces from the jet moment of the turbodrill are directly perceived by the pushers as close as possible to the rollers; improving the reliability of sealing the column and annular space of the device; improving the accuracy of control of the azimuth of an inclined well when quenching the reactive moment of a turbodrill due to the exclusion of this constantly changing correction, depending on many factors; improving the reliability of the adoption of the device initial transport position before lifting the drill string and thereby preventing complications and emergency situations.

Claims

DEVICE FOR DRILLING WELLS, including a body with connecting threads, axial and radial channels of the body, rods, lower ends connected with hinges, rotating cones on the axes located in the plane perpendicular to the axis of the body, rod pushers, ring elastic cuff, associated with the housing, the cavity between the cuff and the housing, an emphasis to limit the movement of the rod to its original position, characterized in that it is provided with an annular cage associated with hinges mounted on the outer surface the housing and connected to the housing by means of a spline connection made on the cage and the housing, the emphasis being made in the form of a ring, and the pushers placed in the radial channels of the housing and spring-loaded to return them to the transport position, the cuff being installed in the axial channel of the housing, while filled with oil.