Результат интеллектуальной деятельности: КОМПОНЕНТ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Область техники

Настоящее изобретение относится к ударно-поворотному разведочному бурению и, в частности, к компоненту бурильной колонны для применения в таком бурении.

Предпосылки

Разведочное бурение обычно включает в себя применение бурового долота, установленного на конце бурильной колонны, которое вращается и одновременно подвергается продольным ударам. Верхний конец бурильной колонны соединен с наземным буровым станком, который выполняет вращение и передает удар. Такая методика ударно-поворотного бурения обычно именуется бурением на уступе. Настоящее изобретение может также применятьcя, например, в бурении глубоких скважин, проходке по простиранию и проходке туннелей.

Общее описание бурильных колонн ударно-поворотного бурения, содержащих штанги, дано, например, в патентах U.S. Pat. № 6164392 и U.S. Pat. № 6681875. Данные патенты являются примерами бурильных колонн типа, наиболее часто применяемого в ударно-поворотном бурении. Вместе с тем, штанги данных колонн в общем уменьшают скорость бурения и точность бурения а также увеличивают риск прихвата долота в грунте. Известные штанги подвержены перегреву и, как следствие, выходу из строя резьбы бурильных замков.

Бурильная колонна, содержащая трубы, раскрыта в патенте European Patent Number 126740. Трубы в сравнении штангами имеют трубчатую форму, где толщина стенки является небольшой в сравнении с диаметром трубы. С помощью известного решения улучшают промывочные свойства и увеличивают упругий момент сопротивления сечения, в сравнении с обычными бурильными штангами, что приводит к улучшенной точности бурения. Вместе с тем увеличенный упругий момент сопротивления сечения труб приводит к более высоким напряжениям в бурильных замках. Данное создает трудности в раскреплении бурильных замков. Увеличенный наружный диаметр трубы в сравнении с обычной бурильной штангой уменьшает зазор между бурильной колонной и стенкой скважины, которую бурят, что создает проблемы с транспортировкой выбуренной породы из скважины.

Настоящее изобретение объединяет преимущества штанг и труб в новом компоненте.

Сущность изобретения

Одной задачей настоящего изобретения является создание резьбовой бурильной штанги с улучшенной жесткостью.

Другой задачей настоящего изобретения является создание резьбовой бурильной штанги с улучшенной промывкой.

Согласно аспекту предложен удлиненный бурильный компонент для ударно-поворотного бурения, содержащий охватывающий резьбовой конец, имеющий наружный диаметр D_ot, вставной резьбовой конец, центральную часть между концами, имеющую наружный диаметр D_oc, при этом наружный диаметр охватывающего резьбового конца больше наружного диаметра центральной части; и сквозной промывочный канал, содержащий центральный промывочный канал, имеющий диаметр D_ic, и промывочные каналы резьбы, имеющие диаметр D_it, при этом отношение упругого момента сопротивления сечения резьбового бурильного замка, измеренного, когда охватывающий резьбовой конец соединен с вставным резьбовым концом идентичного компонента, к упругому моменту сопротивления сечения центральной части, S_t/S_c, больше 1,5 и при этом отношение диаметра центрального промывочного канала к наружному диаметру центральной части, D_ic/D_oc имеет величину между 0,45 и 0,95.

Краткое описание чертежей

Признаки и преимущества настоящего изобретения становятся понятными после прочтения следующего подробного описания изобретения в соединении с чертежами, на которых одинаковыми позициями указаны одинаковые элементы и на которых показано следующее.

На фиг. 1 схематично показан вид сбоку бурового станка для ударно-поворотного бурения с верхним ударником существующей техники.

На фиг. 2 схематично показан вид сбоку обычной бурильной колонны существующей техники.

На фиг. 3 схематично показано продольное сечение варианта осуществления изобретения.

На фиг. 4 схематично показано продольное сечение варианта осуществления изобретения.

На фиг. 5 схематично показано продольное сечение варианта осуществления изобретения в соединенном состоянии.

На фиг. 6 показана номограмма, иллюстрирующая соотношения упругих моментов сопротивления сечения и соотношения внутреннего и наружного диаметра изобретения в сравнении с существующей техникой.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показан способ строительства скважины с применением обычного бурового станка 1 для бурения по трассе или по уступам. Бурильная колонна 2, соединенная с буровым долотом, вращается и производит удары в горной породе 3, при этом выполняется бурение скважины 4.

На фиг. 2 показана обычная бурильная колонна 2, применяемая для ударно-поворотного бурения. Бурильная колонна 2 соединяется с и проходит от нижнего переводника 18 ведущей бурильной трубы на буровом станке (не показано), и по меньшей мере одна штанга 10 (но обычно ряд штанг) соединяет нижний переводник ведущей бурильной трубы с буровым долотом. В станке штангового бурения, каждая штанга 10 имеет наружную винтовую резьбу 12 на одном конце и внутреннюю винтовую резьбу 14 на другом конце. Самая верхняя штанга 10’ имеет внутреннюю резьбу 14, свинченную с наружной винтовой резьбой 16 нижнего переводника 18 ведущей бурильной трубы. Остальные штанги 10 последовательно свинчены друг с другом. Наружная резьба самой нижней штанги 10’’ скреплена с внутренней винтовой резьбой бурового долота 19. Нижний переводник 18 ведущей бурильной трубы и штанги 10 имеют соответствующие центральные каналы, проходящие через них и совмещенные друг с другом для подачи промывочной текучей среды (обычно вода и/или воздух), которая выходит через выпуски, выполненные в передней поверхности бурового долота для охлаждения твердосплавных штырей и смывания выбуренной породы. Выбуренная порода вместе с промывочной текучей средой выбрасывается вверх через зазор, образованный между бурильной колонной и стенкой скважины, которую бурят.

На фиг. 3 показан вариант осуществления настоящего изобретения. Удлиненный компонент 20 имеет конец 21 и конец 22. Конец 21 имеет внутреннюю резьбу 23, и конец 22 имеет наружную резьбу 24. Внутренняя резьба 23 и наружная резьба 24 является цилиндрической, содержит винтовые гребни и канавки, а также предпочтительно имеет трапецеидальную или полукруглую геометрию. Наименьший радиус внутренней резьбы 23 и наружной резьбы 24, в сечении вдоль продольной оси удлиненного компонента 20 предпочтительно больше 1,5 мм.

Рядом с концом 21 удлиненный компонент 20 имеет тонкую часть 25 с наружным диаметром, уменьшенным по сравнению с остальным удлиненным компонентом. Рядом с концом 22 удлиненный компонент 20 имеет тонкую часть 26 с наружным диаметром, уменьшенным по сравнению с остальным удлиненным компонентом. Между тонкой частью 25 на конце 21 и тонкой частью 26 на конце 22 имеется центральная часть 27. Наружный диаметр центральной части больше наружного диаметра конца 22 и меньше наружного диаметра конца 21. Центральная часть 27 удлиненного компонента 20 имеет наружный диаметр D_oc. Конец 21 имеет наружный диаметр D_ot.

Имеется сквозной промывочный канал в центре удлиненного компонента 20. Промывочная среда, например вода и/или воздух прокачиваются в данном канале для охлаждения удлиненного компонента и его бурильных замков и для удаления выбуренной породы из пробуренной скважины. Сквозной промывочный канал разделен на несколько частей, центральный промывочный канал 28 с диаметром D_ic и промывочные каналы 29 резьбы, на обоих, конце 21 и конце 22, с диаметром D_it. Между центральным промывочным каналом 28 и обеими промывочными каналами 29 резьбы имеются уступы 30, при этом D_it меньше D_ic. Для получения плавного потока промывочной среды уступы 30 предпочтительно являются плавными, без острых кромок.

Конец 22, наружная резьба 24, тонкая часть 26 и участок центральной части 27 предпочтительно изготавливают из одной заготовки материала для получения вставного компонента 32. Отношение длины вставного компонента 32 к наружному диаметру D_oc, центральной части 27 имеет величину между 3 и 5. Конец 21, внутреннюю резьбу 23, тонкую часть 25 и участок центральной части 27 изготавливают из одной заготовки материала для получения охватывающего компонента 33. Отношение длины охватывающего компонента 33 к наружному диаметру D_oc, центральной части 27 имеет величину между 3 и 5. Средний участок центральной части 27 изготавливают из одной заготовки материала. Вставной компонент 32 и охватывающий компонент 33 можно изготавливать из материала, отличающегося от материала среднего участка центральной части 27. Средний участок центральной части 27 предпочтительно сваривается трением с вставным компонентом 32 и охватывающим компонентом 33.

На фиг. 4 показан вариант осуществления настоящего изобретения. Удлиненный компонент 120 имеет сквозной промывочный канал, по существу, с постоянным диаметром от конца 22 до внутренней резьбы 23. Данное означает, что сквозной промывочный канал является непрерывным и не имеет уступов, и диаметр D_ic центрального промывочного канала 128 по существу равен диаметру D_it промывочных каналов 129 резьбы.

Центральный промывочный канал 128, с диаметром D_ic имеет площадь A_c сечения. Площадь A_e выхода для выбуренной породы, подлежащей смыванию из скважины 4, образована между центральной частью 27 и стенкой 5 скважины 4. Отношение площади A_c центрального промывочного канала 128 к площади A_e выхода предпочтительно имеет величину между 0,04 и 0,26. Данное соотношением между A_{c и} A_e обеспечивает создание достаточного пространства между удлиненным компонентом 120 и стенкой 5 скважины 4 для удаления выбуренной породы из скважины 4.

На фиг. 5 показан вариант осуществления настоящего изобретения в соединенном состоянии. Наружная резьба 24 удлиненного компонент 20 ввинчена во внутреннюю резьбу 23 другого удлиненного компонента 20’, таким образом удлиненный компонент 20 соединен с удлиненным компонентом 20’. Площадь взаимного соединения между удлиненным компонентом 20 и удлиненным компонентом 20’ образует резьбовой бурильный замок 31. В бурильной колонне несколько удлиненных компонентов соединяются данным способом.

Отличием изобретения является отношение момента сопротивления сечения резьбового бурильного замка 31 к упругому моменту сопротивления сечения центральной части 27 в комбинации с отношением между диаметром центрального промывочного канала 28, 128 и наружным диаметром центральной части 27. Упругий момент сопротивления сечения является свойством, которое коррелирует с сопротивлением изгибу сечения перпендикулярного продольной оси удлиненного компонента 20.

Упругий момент сопротивления сечения, S_t резьбового бурильного замка 31 вычисляют, применяя следующую формулу:

Упругий момент сопротивления сечения, S_c центральной части 27 вычисляют, применяя следующую формулу:

Отношение между упругими моментами сопротивления сечения, S_t/S_c составляет для удлиненного компонента больше 1,5, предпочтительно между 1,8 и 5,5 и более предпочтительно между 2,0 и 3,5. Данное отношение для известных бурильных штанг имеет величину между 1,8 и 3,2 и для известных бурильных труб имеет величину между 1,0 и 1.4.

Отношение между диаметром центрального промывочного канала 28, 128 и наружным диаметром центральной части 27, D_ic/D_oc, для удлиненного компонента имеет величину между 0,45 и 0,95, предпочтительно между 0,48 и 0,75 и более предпочтительно между 0,5 и 0,65. Данное отношение для известных бурильных штанг имеет величину между 0,25 и 0,42 и для известных бурильных труб между 0,55 и 0,75.

На фиг. 6 показан график зависимости S_t/S_c от D_ic/D_oc. Известные бурильные штанги расположены на площади A, известные бурильные трубы расположены на площади B и удлиненные компоненты согласно настоящему изобретению расположены на площади C. Отмечается, что площадь C проходит к бесконечности в направлении S_t/S_c.

Использование данной специфической комбинации из S_t/S_c и D_ic/D_oc дает некоторые преимущества бурильной колонне. Большой диаметр центрального промывочного канала 28, 128, по отношению к наружному диаметру центральной части 27, дает хорошие промывочные свойства, что улучшает удаление выбуренной породы и охлаждает резьбы в удлиненном компоненте 20. Охлаждение резьб увеличивает эксплуатационный ресурс резьб и может увеличивать скорость бурения. Пространство между стенкой 5 скважины 4 и наружным диаметром центральной части 27 является достаточно большим для обеспечения достаточной промывки выбуренной породы в скважине 4 в процессе бурения. Высокий упругий момент сопротивления сечения резьбовых бурильных замков по отношению к упругому моменту сопротивления сечения центральной части 27 означает, что бурильная колонна может изгибаться, не обуславливая слишком высоких изгибающих напряжений в резьбе бурильных замков. Данное улучшает эксплуатационный ресурс резьбовых бурильных замков и делает более простым раскрепление резьбы между удлиненными компонентами.

Примеры вариантов осуществления и результаты испытаний

Наземную буровую установку применяли для сравнения обычных, так называемых бурильных штанг T51 с штангами варианта осуществления изобретения. Как обычные штанги T51, так и штанги варианта осуществления изобретения были изготовлены из цементированной стали. Резьбу одного типа и термообработку одного типа применяли для штанг T51 и штанг варианта осуществления изобретения. Падение давления вдоль длины бурильной колонны измеряли способом измерения промывочного кпд. Получены следующие результаты.

Очевидно, что падение давления значительно меньше для изобретения в сравнении с обычной штангой.

Эксплуатационный ресурс бурильных колонн сравнивали во время бурения в подземной выработке. Обычные так называемые штанги T45 сравнивали с вариантом осуществления изобретения. Как обычные штанги T45, так и штанги варианта осуществления изобретения были изготовлены из цементированной стали. Резьбу одного типа и термообработку одного типа применяли для штанг T51 и штанг варианта осуществления изобретения. Получены следующие результаты.

Очевидно, что эксплуатационный ресурс штанги изобретения по меньшей мере на 100 % больше, чем у обычной штанги.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления. Могут применяться отличающиеся альтернативы, модификации и эквиваленты. Упомянутые выше варианты осуществления не следует поэтому не считать ограничивающими объем изобретения, который определен пунктами формулы изобретения.