ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к горному делу, а именно к устройствам для бурения скважин в крепких и сверхкрепких горных породах.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Бурение геологоразведочных и эксплуатационных скважин в крепких и сверхкрепких горных породах требует больших материальных и энергетических затрат.

Особенно остро эта проблема встала в условиях роста цен на энергоносители.

Для проходки глубоких скважин в твердых горных породах традиционно применяют вращательный способ бурения, при котором используются буровые снаряды с твердосплавным и алмазным породоразрушающем инструментом.

Бурение осуществляется за счет приложения статических нагрузок к породоразрушающему инструменту и вращения.

Недостатком известных устройств является то, что породоразрушающий инструмент при проходке твердых и сверхтвердых горных пород быстро разрушается, что требует его частой замены и снижает производительность процесса бурения.

Для повышения эффективности известного оборудования на породоразрушающем инструменте дополнительно создают динамические нагрузки за счет применения гидро и пневмо ударников, что создает на забое такие условия, при которых оптимально используются упругие и режущие свойства самого породоразрушающего инструмента («Способ бурения и устройство для реализации способа», RU2206698 от 20.06.2003, «Способ бурения погружными гидроударниками и отражатель синхронизатор гидроударника» RU2192534 от 10.11.2002, «Вибратор гидродинамический» RU49886 от 10.12.2005).

Наиболее перспективным является вибрационно-вращательный способ бурения, при котором на породоразрушающем инструменте дополнительно создают продольные колебания высокой частоты и интенсивности.

Преимущество этого способа заключается в том, что он объединяют свойства вибрационного и вращательного способов бурения. При комбинированном разрушении на породы действуют не только статические силы, но и динамические ударные импульсы (кратковременные динамические нагрузки).

Под действием этих сил порода дробится и скалывается не только под породоразрушающим инструментом в момент удара, но так же срезается или скалывается во время вращения под воздействием осевой статической нагрузки.

Известно буровое гидромониторное долото, содержащее корпус с рабочими органами и промывочными каналами, оснащенными насадками и закрепленный в нем посредством подвески шар, причем долото снабжено установленным в его промывочном канале диффузором, диаметр проходного сечения которого больше диаметра шара, при этом шар размещен в полости диффузора, а подвеска выполнена упругой («Буровое гидромониторное долото» SU1148957 от 07.04.1985, Е21В10/18).

В процессе бурения шары совершают продольно - поперечные колебания в диффузорах, что создает пульсацию давления жидкости.

Известная конструкция позволяет повысить эффективность разрушения твердых и сверх твердых горных пород за счет создания дополнительных частотных колебаний.

Недостатком известного долота является то, что оно содержит подвижные детали и упругие элементы, что значительно снижает его надежность.

Кроме того, известная конструкция не позволяет создать высокочастотные колебания, что обуславливает низкую скорость бурения и низкую производительность при бурении твердых и сверхтвердых пород.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является буровой снаряд для бурения скважин, содержащий колонну бурильных труб, включающую породоразрушающий инструмент, выполненный с проходными отверстиями для выхода промывочной жидкости, и гидровибратор, для преобразования стационарного потока промывочной жидкости в пульсирующий поток, имеющий внутренний кавитатор, выполненный в виде сопла, проточный канал которого включает цилиндрический участок с критическим диаметром D кр и расширяющийся участок - диффузор, а также полый корпус, расположенный за кавитатором («Способ бурения скважин и устройство для его осуществления», SU1496351 от 07.01.1991 Е21В10/18).

Известное устройство для бурения скважин содержит корпус с промывочными каналами, на выходе которых установлены насадки.

Кавитатор выполнен в виде сужающе - расширяющегося в направлении движения промывочной жидкости участка промывочного канала.

При этом суммарная площадь выходных сечений насадок превышает площадь критического сечения генератора в 1,1 - 3,0 раза. Процесс бурение с помощью известного устройства осуществляется за счет воздействия пульсирующих струй промывочной жидкости на горную породу.

Недостатками известного устройства являются низкая производительность и высокая энергоемкость процесса, обусловленные невысокой скоростью бурения, что особенно сильно проявляется при бурении глубоких скважин в крепких и сверхкрепких породах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основу изобретения поставлена задача создания такого бурового снаряда для бурения скважин, применение которого позволило бы увеличить скорость бурения, снизить энергоемкость и, таким образом, повысить производительность процесса бурения.

Поставленная задача решается тем, что в буровом снаряде для бурения скважин, содержащем колонну бурильных труб, включающую породоразрушающий инструмент, выполненный с проходными отверстиями для выхода промывочной жидкости, и гидровибратор, для преобразования стационарного потока промывочной жидкости в пульсирующий поток, имеющий внутренний кавитатор, выполненный в виде сопла, проточный канал которого включает цилиндрический участок с критическим диаметром ϋκρ и расширяющийся участок - диффузор, а также полый корпус, расположенный за кавитатором, согласно изобретению, в проточном канале кавитатора, длина L цилиндрического участка составляет L = 0,5-2,0 критических диаметра ϋκρ, суммарная площадь Si проходных отверстий породоразрушающего инструмента в 7-10 раз больше площади S сечения цилиндрического участка проточного канала кавитатора, угол а раскрытия диффузора проточного канала кавитатора, в зависимости от выбранных технологических параметров бурения конкретной скважины, составляет а = 10-180°, а на верхнем торце кавитатора установлен стабилизатор потока промывочной жидкости, выполненный в виде втулки, у которого внутренний диаметр d составляет 2-3 критических диаметра ϋκρ цилиндрического участка кавитатора, а длина L _\ составляет 10-15 его (11) внутренних диаметров d, при этом диаметр D ₂ полого корпуса гидровибратора равен диаметру Ό\ выходного сечения диффузора кавитатора, а длина L ₂ полого корпуса гидровибратора составляет не меньше 90-110 критических диаметров ϋκρ цилиндрического участка кавитатора.

Заявляемая совокупность признаков позволяет создать такие условия для бурения скважин, при которых обеспечивается выравнивание поля скоростей на входе в цилиндрический участок, в котором происходит разрыв сплошного потока жидкости, зарождаются и растут до максимальных размеров кавитационные каверны, которые выходят в диффузор кавитатора, периодический отрываются и схлопываются (смыкаются) з в зоне повышенного давления, что вызывает периодические колебания давления в проточном канале гидровибратора.

Опытным путем установлено, что заявляемые геометрические параметры элементов гидровибратора: длина L цилиндрического участка L = (0,5-2,0)ϋκρ, суммарная площадь Sj проходных отверстий породоразрушающего инструмента Sj = (7-10)S, угол а раскрытия диффузора проточного канала кавитатора а = 10 - 180°, внутренний диаметр d стабилизатора d = (2-3) ϋκρ цилиндрического участка кавитатора, длина Li стабилизатора Li = (10-15) d, диаметр D ₂ выходного канала гидровибратора, равный выходному диаметру Ό\ диффузора кавитатора, и длина L ₂ выходного канала гидровибратора L ₂ = (90-1 10)ϋκρ являются оптимальными, так как при этих значениях и соотношениях обеспечивается максимальное значение давления в гидродинамическом импульсе промывочной жидкости.

В результате этого стационарный поток промывочной жидкости преобразуется в высокочастотный пульсирующий поток с высоким уровнем давления., энергия которого создает на породоразрушающем инструменте дополнительные динамические продольные нагрузки высокой частоты, при которых порода разрушается под действием минимальных статических нагрузках.

Максимальное давление в импульсе в несколько раз превышает давление стационарного потока промывочной жидкости на входе в цилиндрический участок кавитатора.

Большая часть энергии пульсирующего потока жидкости в проточном канале гидровибратора преобразуется в продольные виброускорения корпуса гидровибратора, которые создают на породоразрушающем инструменте дополнительные высокочастотные динамические нагрузки.

Оставшаяся часть энергии пульсирующего потока жидкости расходуется на охлаждение и очистку резцов породоразрушающего инструмента от разбуренной породы, и ее вынос со скважины.

Указанные соотношения площади проходных отверстий насадок породоразрушающего инструмента к площади цилиндрического участка кавитатора обеспечивает работу гидровибратора на любых глубинах, так как обеспечивают минимальные гидравлические потери в проходных отверстиях породоразрушающего инструмента, а необходимый подпор обеспечивается только давлением на забое скважины. Часть энергии пульсирующего потока жидкости преобразуется в продольные виброускорения корпуса гидровибратора и создает дополнительные динамические нагрузки на породоразрушающем инструменте.

За пределами указанных значений геометрических параметров существенно снижается давление в гидродинамическом импульсе и эффективность бурения с помощью заявляемого бурового снаряда значительно снижается.

Таким образом, заявляемый буровой снаряд для бурения скважин позволяет увеличить скорость бурения, снизить энергоемкость и повысить производительность процесса бурения

Изобретение имеет и дополнительные отличия, которые создают дополнительный технический результат.

В буровом снаряде для бурения скважин при безкерновом бурении, гидровибратор может быть установлен в колонне над породоразрушающим инструментом.

Такое расположение гидровибратора обеспечивает наиболее эффективное безкерновое бурение.

В буровом снаряде для бурения скважин при керновом бурении, гидровибратор может быть установлен в колонне над колонковой бурильной трубой.

Эта компоновка гидровибратора обеспечивает наиболее эффективное керновое бурение.

В буровом снаряде для бурения скважин для получения пульсаций промывочной жидкости с постоянной частотой, которая не зависит от давления на входе в цилиндрический участок проточного канала кавитатора, угол а раскрытия диффузора составляет а = 10-15°, или а = 45-180°.

Выбранные значения угла а раскрытия диффузора установлены опытным путем и обеспечивают наиболее эффективное бурение при получении пульсаций промывочной жидкости с постоянной частотой, которая не зависит от давления на входе в цилиндрический участок проточного канала кавитатора.

В буровом снаряде для бурения скважин для получения пульсаций промывочной жидкости в широком диапазоне частот с помощью изменения давления на входе в цилиндрический участок проточного канала кавитатора, угол а раскрытия диффузора составляет а = 16 - 44°.

Выбранные значения угла а раскрытия диффузора определены опытным путем и обеспечивают наиболее эффективное бурение при получении пульсаций промывочной жидкости в широком диапазоне частот за счет изменения давления на входе в цилиндрический участок проточного канала кавитатора. Гидровибратор в буровом снаряде для бурения скважин может быть выполнен сборным в виде полого корпуса, соединенного с кавитатором с помощью резобового соединения.

За счет этого обеспечивается технологичность изготовления гидровибратора.

Кромка цилиндрического участка кавитатора может быть выполнена криволинейной с двумя сопряженными радиусами округления - входным Rj = (0,18-0,25) ϋκρ и выходным R.2 = (0,3-0,35) ϋκρ, что обеспечивает более плавный вход потока промывочной жидкости в цилиндрический участок кавитатора. Значения радиусов Ri и R ₂ округления определены опытным путем и являются оптимальными для данной конструкции кавитатора и гидровибратора, так как обеспечивают оптимальные условия для возникновения каверн на самом входе в цилиндрический участок и для формирования больших объемов каверн в диффузоре кавитатора.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет преобразовать стационарный поток промывочной жидкости в высокочастотный пульсирующий поток.

Энергия высокочастотного пульсирующего потока создает на породоразрушающем инструменте дополнительные высокочастотные динамические продольные нагрузки, под воздействием которых порода начинает разрушаться даже при минимальных статических нагрузках, что позволяет увеличить скорость бурения, повысить производительность, снизить энергоемкость и в целом повысить эффективность бурения.

В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием его осуществления со ссылками на чертежи.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 изображен буровой снаряд для бурения скважин, общий вид, продольный разрез.

На фиг. 2 изображен гидровибратор бурового снаряда для бурения скважин, общий вид, продольный разрез.

На фиг. 3 изображен кавитатор гидровибратора бурового снаряда для бурения скважин, общий вид, продольный разрез.

На фиг. 4 изображен выносной элемент Г на фиг. 3.

На фиг. 5 изображен буровой снаряд для бурения скважин (при керновом бурении), общий вид, продольный разрез. ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Буровой снаряд для бурения скважин (фиг. 1-5) содержит колонну 1 бурильных труб 2 (фиг. 1), включающую породоразрушающий инструмент 3, выполненный с проходными отверстиями 4 для выхода промывочной жидкости, и гидровибратор 5 (фиг. 1, 2), для преобразования стационарного потока промывочной жидкости в пульсирующий поток, имеющий внутренний кавитатор 6 (фиг. 1 , 3), выполненный в виде сопла, проточный канал 7 которого включает цилиндрический участок 8 с критическим диаметром ϋκρ и расширяющийся участок - диффузор 9, а также полый корпус 10, расположенный за кавитатором 6.

В проточном канале 7 кавитатора 6 длина L цилиндрического участка 8 составляет L = 0,5 - 2,0 критического диаметра D кр, суммарная площадь Sj проходных отверстий 4 породоразрушающего инструмента 3 в 7 - 10 раз больше площади S сечения цилиндрического участка 8 проточного канала 7 кавитатора 6.

Угол а раскрытия диффузора 9 проточного канала 7 кавитатора 6, в зависимости от технологических параметров конкретной скважины, составляет а = 10 - 180°

На верхнем торце кавитатора 6 установлен стабилизатор 11 потока промывочной жидкости, выполненный в виде втулки.

Внутренний диаметр стабилизатора 11 d составляет 2-3 критических диаметра ϋκρ цилиндрического участка 8 кавитатора 6, а длина L _\ составляет 10 - 15 его внутренних диаметров d.

При этом диаметр D ₂ полого корпуса 10 гидровибратора 5 равен диаметру Di выходного сечения диффузора 9 кавитатора 6, а длина L ₂ полого корпуса 10 гидровибратора 5 составляет не меньше 90-1 10 критических диаметров ϋκρ цилиндрического участка 8 кавитатора 6.

При безкерновом бурении, гидровибратор 5 установлен в колонне 1 над породоразрушающим инструментом 3 (фиг. 1).

При керновом бурении, гидровибратор 5 установлен в колонне 1 над колонковой бурильной трубой 12 (фиг. 5).

Для получения пульсаций промывочной жидкости с постоянной частотой, которая не зависит от давления на входе в цилиндрический участок 8 проточного канала 7 кавитатора 6, угол а раскрытия диффузора 9 составляет а— 10-15°, или а = 45-180°. Для получения пульсаций промывочной жидкости в широком диапазоне частот с помощью изменения давления на входе в цилиндрический участок 8 проточного канала 7 кавитатора 6, угол а раскрытия диффузора 9 составляет а = 16 - 44°.

Гидровибратор 5 может быть выполнен сборным, у которого полый корпус 10 соединен с кавитатором 6 с помощью резьбового соединения.

Входная кромка 13 цилиндрического участка 8 кавитатора 6 выполнена криволинейной с двумя сопряженньми радиусами скругления - входным Ri = (0,18 - 0,25) ϋκρ И выходным R ₂ = (0,3 -0,35) ϋκρ (фиг. 4).

Буровой снаряд для бурения скважин работает следующим образом.

При бурении скважины стационарный поток промывочной жидкости по колонне 1 бурильных труб 2 поступает в стабилизатор 11 потока промывочной жидкости.

Стабилизатор 11 обеспечивает выравнивание поля скоростей потока промывочной жидкости на входе в цилиндрический участок 8 кавитатора 6.

При поступлении потока промывочной жидкости с выровненным полем скоростей в цилиндрический участок 8 с критическим диаметром ϋκρ в нем возникает режим течения с разрывами сплошного потока промывочной жидкости.

Такой режим течения потока промывочной жидкости характеризуется тем, что в цилиндрическом участке 8 кавитатора 6 периодически образуются и растут в длину кавитационные каверны 14.

Направление роста кавитационных каверн 14 соответствует направлению движения потока промывочной жидкости.

Когда кавитационная каверна 14 достигает определенных размеров, который соответствует отношению забойного давления к давлению подачи промывочной жидкости, от нее отрывается диффузорная часть 15.

Оторвавшаяся диффузорная часть 15 каверны 14 перемещается по потоку и в зоне повышенного давления схлопывается (смыкается), вызывая при этом импульс давления в объеме промывочной жидкости в полом корпусе 10 гидровибратора 5 между кавитатором 6 и породоразрушающим инструментом 3.

При этом значение давления в импульсе существенно превышает значение давления подачи.

Процесс образования, роста, отрыва и схлопывания каверны 14 в потоке промывочной жидкости происходит строго периодически.

Периодичность этого процесса зависит от геометрических параметров кавитатора 6, а при определенных геометрических параметрах этого устройства от значения давления подачи, а также от отношения давления на забое к давлению подачи промывочной жидкости.

При прочих равных условиях, с увеличением давления подачи и значения отношения давления на забое к давлению подачи частота импульсов давления увеличивается, а размах колеблющейся величины давления имеет максимум при определенном значении отношения забойного давления к давлению подачи промывочной жидкости, которое зависит от угла а раскрытия диффузора 9 кавитатора 6.

Таким образом, заявляемый буровой снаряд для бурения скважин позволяет преобразовать стационарный поток промывочной жидкости в высокочастотный пульсирующий поток, что обеспечивает не только импульсное воздействие промывочной жидкости, но и дополнительное механическое импульсное воздействие породоразрушающего инструмента на горную породу.

Это в свою очередь позволяет повысить скорость бурения, снизить энергоемкость и повысить производительность процесса бурения, особенно при бурении глубоких скважин в крепких и сверхкрепких горных породах.

Предложенный буровой снаряд для бурения скважин имеет простую, компактную и эффективную в работе конструкцию, может быть изготовлен на стандартном оборудовании из известных материалов с использованием современной технологии на любом предприятии горного машиностроения, при использовании позволяет снизить энергоемкость и повысить производительность процесса бурения особенно при бурении глубоких скважин в крепких и сверхкрепких породах и может найти широкое распространение в горной промышленности.

Перечень обозначений

1) колонна бурильных труб

2) труба бурильная

3) инструмент пород оразрушающий

4) отверстия проходные

5) гидровибратор

6) кавитатор гидровибратора

7) канал кавитатора проточный

8) участок кавитатора цилиндрический

9) диффузор - расширяющийся участок кавитатора

10) корпус гидровибратора

11) стабилизатор потока промывочной жидкости

12) труба колонковая бурильная 01

13) кромка входная цилиндрического участка кавитатора

14) каверна кавитационная

15) часть каверны диффузорная

ϋκρ - критический диаметр цилиндрического участка кавитатора L - длина цилиндрического участка кавитатора

Si - площадь проходных отверстий породоразрушающего инструмента

S - площадь сечения цилиндрического участка проточного канала а - угол раскрытия диффузора проточного канала

d - внутренний диаметр стабилизатора

L _\ - длина стабилизатора

D ₂ - диаметр полого корпуса гидровибратора

Di - диаметр выходного сечения диффузора

Ri - входной радиус скругления входной кромки

R ₂ - выходной радиус скругления входной кромки

ю