Результат интеллектуальной деятельности: БУРОВОЙ ШНЕК

Изобретение относится к буровой технике и касается буровых шнековых колонн, преимущественно, полых равнопроходных, применяемых в сейсморазведке для бурения взрывных скважин в условиях сложных геологических разрезов, включающих неустойчивые грунты, а также в строительстве, при сооружении буронабивных свай, и в инженерных изысканиях для обсадки скважин.

Известен полый буровой шнек, содержащий основную часть в виде трубы, расположенные на ее концах муфту и ниппель, образующие в буровой колонне замковое соединение, также реборду на всей длине шнека, высота которой одинакова на всей длине шнека, обеспечивая на этой длине постоянный кольцевой просвет между телом шнека и стенкой скважины (патент РФ №2347886, кл. Е21В 17/042, опубл. 10.07.2008), являющийся сечением транспортного канала шнека. Проходное отверстие этого шнека на длине ниппеля имеет вынужденное сужение, вызванное конструктивной необходимостью размещения элементов соединения «муфта-ниппель». Благодаря постоянству кольцевого просвета между телом шнека и стенкой скважины, он обеспечивает хороший вынос бурового шлама. Однако наличие периодических сужений отверстия в колонне является недостатком, затрудняющим погружение заряда взрывчатого вещества (ВВ) в забой при производстве буровзрывных работ в сейсморазведке. При использовании описанной конструкции для обсадки скважины в других областях применения, упомянутые сужения также являются недостатком.

Этого недостатка не имеет шнек с замковым соединением по патенту РФ №2239044, Е2117\046, опубл. 27.10.2004, где внутренний диаметр замкового соединения равен внутреннему диаметру несущей трубы и не создает упомянутых выше помех, за счет того, что сечение замкового соединения с элементами соединения вынесено наружу трубы.

Аналогичной является конструкция известного полого бурового шнека с ребордой на всей длине и основной частью в виде трубы и расположенными на ее концах муфтой и ниппелем, образующими в буровой колонне замковое соединение, и (http://gemmash.ru/shneki_polye_ravnoprohodnye).

Так же устроен полый буровой шнек по патенту РФ №92081, Е2117\046, опубл. 10.03.2010, в котором внутренний диаметр образованной муфтой и ниппелем замковой части равен внутреннему диаметру несущей трубы, а его наружный диаметр существенно превышает диаметр трубы. Аналогичным образом устроены полые шнеки, выпускаемые ОАО Курганавторемонт (Каталог продукции 2015, стр. 34) для бурения взрывных скважин в сейсморазведке. Это устройство выбрано в качестве прототипа как наиболее близкое по технической сущности и области применения.

Общим недостатком как конструкции, выбранной в качестве прототипа, так и всех упомянутых выше, аналогичных ему конструкций шнеков является существенное превышение диаметра замковой части шнека над диаметром трубы, что создает в буровой скважине периодические сужения транспортного сечения шнека - кольцевого просвета между телом шнека и стенками скважины, по которому он транспортирует буровой шлам. В процессе проходки скважины вращающийся шнек поднимает буровой шлам с линейной скоростью, зависящей, при прочих равных условиях, от угла подъема реборды, связанного с ее шагом. Производительность шнека на участке замкового соединения существенно меньше, чем на основном участке шнека, где реборда выше. Эта диспропорция устраняется за счет того, что все транспортное пространство шнека заполняется шламом, он уплотняется и перемещается со скоростью, ограничиваемой сужениями, образованными замковыми участками. Степень уплотнения в направлении сверху вниз возрастает, приводя к образованию пробок («сальникообразование», «заштыбовка») из-за переуплотнения и заклинивания шлама между витками, что приводит сначала к замедлению, а потом полной остановке проходки. На практике эти трудности преодолевают с помощью приема, называемого бурением «с расходкой», т.е. с перидическим подъемом и опусканием на забой буровой колонны, но, во-первых, отрыв колонны от забоя не всегда допустим, например, при бурении открывающимися долотами, а во-вторых, в любом случае описанная ситуация снижает производительность буровых работ. Особенно остро этот недостаток проявляется в сейсморазведке, при бурении взрывных скважин, диаметр шнеков для которых, по сравнению с применяемыми для обсадки скважин в строительстве и различных видах изысканий, значительно меньше. Поэтому относительная величина сужения транспортного просвета шнека очень существенна и значительно затрудняет вынос бурового шлама, снижая производительность проходки. В частности, например, для шнеков 901Д-020КУ.00 с диаметром 110 мм, выпускаемых ОАО «Курганавторемонт» (см. ссылку выше), относительная величина сужения транспортного просвета составляет 40%.

Таким образом, эффективное использование полых шнеков во всех упомянутых выше областях применения, а особенно в сейсморазведке, тормозится следующим техническим противоречием. Полые шнеки, не имеющие периодических сужений транспортного сечения, обеспечивают высокую производительность транспортирования шлама, но они имеют периодические сужения отверстия в зоне замкового соединения, которые, в большинстве случаев, являются помехой для погружения зарядов ВВ, или других объектов, погружаемых в скважину через колонну. Увеличение диаметра в местах сужений возможно за счет применения шнека большего типоразмера по диаметру. Однако при этом пропорционально увеличению диаметра шнека увеличивается момент сопротивления сил трения шнека о грунт и, соответственно, затраты энергии для бурения. С другой стороны, если устранять внутренние сужения за счет выноса сечения замка наружу трубы, это устраняет помеху для погружения заряда ВВ, но создает сужения на замковых участках транспортного просвета шнека, ограничивающие производительность транспортирования бурового шлама.

Задачей изобретения является устранение описанного технического противоречия. Конкретным техническим результатом решения этой задачи является увеличение производительности шнека на замковом участке до его производительности на остальной части при обеспечении равенства внутреннего диаметра замковой части внутреннему диаметру несущей трубы.

Поставленная задача решается тем, что в известном буровом шнеке, преимущественно, полом равнопроходном, имеющем реборду на всей длине, содержащем основную часть шнека в виде несущей трубы, расположенный на одном из ее концов ниппель, а на другом муфту, образующие друг с другом замковое соединение шнеков в буровой колонне, наружный диаметр которого существенно превышает диаметр трубы, отличием является то, что шаг реборды, расположенной на участке муфты и ниппеля, превышает шаг реборды основной части шнека, при этом отношение шага реборды, расположенной на этом участке, к шагу реборды основной части шнека равно отношению площади поперечного сечения транспортного просвета шнека на его основной части к площади поперечного сечения транспортного просвета на участке замкового соединения шнеков.

Для дополнительного уменьшения сил сопротивления перемещению шлама на участке замкового соединения шнеков на нем размещена, по меньшей мере, одна дополнительная реборда с тем же шагом, что и основная.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически показана буровая колонна из предложенных шнеков в скважине; на фиг. 2 - фрагмент шнека с местным разрезом на участке замкового соединения.

Предлагаемый шнек состоит из основной части, образованной несущей трубой 1, расположенных на ее концах ниппеля 2 и муфты 3, образующих замковое соединение 4 шнековой колонны, а также реборду 5 на всей длине шнека. Элементы взаимного сопряжения ниппеля 2 и муфты 3 обеспечивающие передачу осевых усилий и крутящего момента могут иметь любую из известных конструкций. Но в данном примере выполнения изобретения сопряжение выполнено в виде прямоугольной резьбы 6, как наиболее распространенное, обеспечивающее минимальные затраты вспомогательного времени при наращивании и демонтаже колонны. В описываемом примере выполнения изобретения шнек выполнен равнопроходным, с внутренним диаметром D_вн, одинаковым на протяжении всей длины шнековой колонны, за счет того, что внутренний диаметр ниппеля равен внутреннему диаметру трубы. Это позволяет избежать помех для погружения через колонну различных объектов: зарядов ВВ, бурового инструмента и др. При этом наружный диаметр D_м муфты 3 существенно превышает диаметр трубы из конструктивной необходимости обеспечения достаточного для обеспечения прочности сечения стенок ниппеля и муфты.

На основной части шнека, образованной несущей трубой 1, реборда выполнена с шагом t_т, а на участке замкового соединения 5 шаг реборды 7 составляет величину t_м, превышающую t_о. При этом соотношение упомянутых шагов зависит от соотношения площадей транспортных просветов на этих участках и выражается следующей формулой:

t_м/t_т=F_т/F_м,

где

F_т - площадь транспортного просвета на основном участке шнека, равная площади кольца с наружным диаметром, равным диаметру шнека D_ш, и внутренним диаметром, равным диаметру трубы D_т;

F_м - площадь транспортного просвета на участке замкового соединения шнека, равная площади кольца с наружным диаметром, равным диаметру шнека D_ш, и внутренним диаметром, равным диаметру трубы D_м.

В иных случаях, например при очень высоких нагрузках, для увеличения прочности замкового соединения, кроме сужения транспортного просвета шнека, приходится идти на местные сужения внутри шнека, допустимые с точки зрения возможности прохождения через них погружаемых объектов.

Предлагаемый шнек работает следующим образом.

Вращаясь в процессе бурения скважины, шнек своей ребордой с шагом t_т на участке несущей трубы 1 перемещает шлам с линейной скоростью V_т, а на участке замкового соединения 4 ребордой 7 с шагом t_м перемещает его с линейной скоростью V_м, большей чем V_т благодаря тому, что шаг спирали реборды t_м на этом участке, согласно соотношению, приведенному выше, на столько же больше шага t_т (насколько кольцевое сечение F_т больше кольцевого сечения F_м. Таким образом, упомянутое соотношение позволяет выровнять производительность шнека на этих участках шнека. При этом результирующая производительность шнека определяется линейной скоростью V_т, имеющей существенно большую величину, чем у прототипа с его аналогами, где эта скорость лимитируется низкой линейной скоростью перемещения шлама на участках с таким же проходным сечением, но с непропорционально малым шагом реборды.

Изобретение позволяет повысить производительность бурения без усложнения и удорожания шнека.