что такое осциллятор в бурении

Применение осцилляторов для бурения скважин

Experience in using oscillators for drilling boreholes

KRUTIK E.N. 1
BORISOV M.S. 1
FUFACHEV O.I. 1
PATLASOV A.Yu. 1
POPOV A.M. 1
SINITSKIKH S.Yu. 1
1 Gidrobur-Servis LLC
Perm, 614025,
Russian Federation

Бурение наклонных и горизонтальных участков скважин с большим отходом от вертикального ствола осложняется недостаточной передачей нагрузки на долото из-за трения колонны о стенки скважины. В особенно сложных случаях возможны подвисания бурильной колонны, с ее последующим срывом и ударом о забой скважины. Удары крайне негативно сказываются на ресурсе оборудования, установленного в компоновку низа бурильной колонны. Одним из методов снижения трения колонны о стенки скважины является использование осцилляторов. В ООО «Гидробур-сервис» разработаны два типа осцилляторов. Изготовлены опытные образцы осцилляторов, создающих радиальные вибрации. В статье приведены результаты промысловых испытаний указанных образцов.

Drilling of slanted and horizontal sections of boreholes with large distance from the vertical direction is hindered by insufficient transfer of load onto the drill bit due to friction between the drill pipe and walls of a borehole. «Stick-and-slip» effect and hitting the borehole bottom may occur in most complicated cases. Hits have extremely negative impact upon lifetime of drilling tools installed in the bottomhole assembly. One of the methods to reduce friction of the pipe against borehole walls is to use oscillators. Two types of oscillators have been designed by «Hydrobur-service» LLC. Pilot specimen of the oscillators, emitting radial vibrations, have been produced. This article contains results of field tests of the mentioned specimen.

В настоящее время интенсивно увеличиваются объемы бурения скважин, имеющих значительное отклонение от вертикали и увеличенный горизонтальный участок. При этом возрастают риски прихватов, подвисаний компоновки низа бурильной колонны (КНБК) с ее последующим срывом и ударов о забой скважины. Удары крайне негативно влияют на дорогостоящее оборудование КНБК, в частности на долото, телесистему и забойный двигатель, значительно снижая их ресурс. Для уменьшения (предотвращения) подвисаний и срывов бурильной колонны в состав бурового раствора вводят смазывающие добавки (нефтепродукты) или применяют растворы на углеводородной основе (РУО). Однако следует учитывать, что производители винтовых забойных двигателей (ВЗД) устанавливают ограничение на содержание нефтепродуктов в буровом растворе, обусловленное используемым в качестве обкладки статора материалом, и при бурении в данных условиях требуется использование винтовых забойных двигателей специального исполнения с маслобензостойкой эластомерной обкладкой.
Кроме того, эффективность использования данного способа для борьбы с подвисаниями КНБК снижается по мере увеличения протяженности горизонтального участка. Одним из устройств, позволяющих снизить негативные последствия срывов КНБК, является механизм подачи долота, разработанный компанией ООО «Гидробур-сервис» и проходящий опытно-промышленные испытания. Другим способом, позволяющим снизить вероятность подвисания КНБК, а также увеличить протяженность горизонтального участка скважины, является использование в составе бурильной колонны осцилляторов. Они, в общем случае, могут быть трех типов, в зависимости от направления вибраций: радиальные, осевые и радиально-осевые.
В ООО «Гидробур-сервис» разработаны осцилляторы двух типов, опытно-промышленные испытания прошли осцилляторы с радиальным направлением колебаний, выполненным на основе героторного многозаходного механизма.

Работа осциллятора осуществляется следующим образом. Устройство устанавливается в состав бурильной колонны на расстоянии 200 – 400 метров от долота, в соответствии с опытом применения осцилляторов буровыми подрядчиками на месторождениях. При прокачке бурового раствора через осциллятор приводится в движение массивный ротор, который, осуществляя планетарное движение, создает радиальные вибрации. Данные вибрации, определенной частоты и интенсивности, создают основной эффект при работе осциллятора, а их передача на колонну бурильных труб позволяет уменьшить силы трения колонны о стенки скважины. Наибольший эффект от работы осциллятора достигается в месте его установки при бурении в режиме «слайда».
Наиболее значимыми характеристиками осциллятора являются создаваемая им частота вибраций и сила воздействия на бурильную колонну, которая, в свою очередь, в значительной мере зависит от центробежной силы инерции ротора и жесткости бурильной колонны.
Частота вибраций героторного механизма определяется по формуле:

где n – частота вращения выходного вала, z2 – число зубьев ротора.
Параметры, требуемые для определения частоты вибраций, согласно [1]:
1. Частота вращения выходного вала

где Q – расход бурового раствора.
2. Рабочий объем механизма –

где S – площадь живого сечения рабочих органов, T – шаг винтовой поверхности статора.
3. Площадь живого сечения рабочих органов –

где e – эксцентриситет, Dk – контурный диаметр рабочих органов.
Центробежная сила инерции ротора определяется согласно [1] по формуле:

где m – масса ротора осциллятора, ω = 2∙π∙n – угловая скорость.

Согласно формуле (5) инерционная сила в значительной мере зависит от угловой скорости ротора. Однако данный параметр, связанный с частотой вибраций, требует отдельной оптимизации и подбора для более эффективной работы осциллятора. Значение эксцентриситета находится в крайне узком диапазоне, таким образом, масса ротора является оптимальной переменной для задания инерционной силы.

При выборе инерционной силы следует учитывать следующие факторы и параметры: усталостную прочность материала корпусных деталей осциллятора и бурильных труб; склонность резьбовых соединений к самопроизвольному развинчиванию при воздействии на них вибраций; повышение перепада давления, создаваемого осциллятором.

Жесткость бурильной колонны – постоянно меняющаяся величина, даже в пределах бурения одного интервала и с использованием одной и той же бурильной колонны, т.к. зависит от приложенной осевой нагрузки и крутящего момента, точек опоры бурильной колонны о стенки скважины, траектории скважины, проявления «баклинг» эффекта (потеря устойчивости бурильной колонны), геометрии бурильных труб и непосредственно корпусных элементов осциллятора и др. Определение жесткости бурильной колонны на заданном интервале является темой отдельного исследования, выходящего за рамки данной статьи. Для предварительной оценки и сравнения осцилляторов одного габарита и типа достаточно владеть информацией о его рабочей частоте и инерционной силе источника колебаний.
С целью проведения опытных работ в ООО «Гидробур-сервис» была изготовлена партия осцилляторов 178-го габарита. Был использован героторный механизм, создающий вибрации с частотой, зависящей от расхода рабочей жидкости, согласно рис. 1, и инерционной силой в зависимости от расхода рабочей жидкости, согласно рис.2. Рабочим расходом для рассматриваемых осцилляторов является от 25 л/с до 38 л/с.

Произведенные осцилляторы прошли испытания на скважинах Западной Сибири:
1. Еты-Пуровского месторождения, куст № 237,
скв. № 1923;
2. Еты-Пуровского месторождения, куст № 238,
скв. № 3770;
3. Еты-Пуровского месторождения, куст № 238,
скв. № 3771;
4. Месторождения «Крайнего» — куст № 103,
скв. № 6708;
5. Еты-Пуровского месторождения, куст № 259,
скв. № 3761;
6. Еты-Пуровского месторождения, куст № 259,
скв. № 3765.
Осцилляторы устанавливались на расстоянии 225 – 400 метров от долота.
Бурение осуществляется в режиме «слайда» (скольжения колонны без ее вращения) или при вращении бурильной колонны ротором. При бурении с помощью забойных двигателей управление траекторией скважины (изменение зенитного или азимутального углов) осуществляется только в режиме «слайда» за счет заранее установленного угла перекоса шпиндельной секции двигателя (при условии, что не используются роторные управляемые системы). Положение бурильной колонны определяется по показаниям телесистемы.

Закономерно, что при сокращении времени, потраченного на ориентирование КНБК (происходящего только в режиме «слайда»), увеличивается доля от общего времени бурения с вращением ротора и в связи с этим учитывалась общая фактическая средняя скорость на интервале, бурение которого происходило с использованием осциллятора. Для оценки полученных результатов было произведено их сравнение с плановой скоростью и с результатами, полученными при бурении с использованием осцилляторов других производителей. Сравнительная диаграмма с полученными результатами приведена на рис. 3. На рис. 4 показаны линии тренда мгновенной механической скорости проходки (МСП) в режиме «слайда» в зависимости от глубины бурения. На рисунках применено следующее обозначение:
«№ скважины (Производитель осциллятора)», где ГБС — ООО «Гидробур-сервис», др. произв. – другие производители осцилляторов.
Анализируя данные, представленные на рис. 3 и рис.4, можно обнаружить, что при бурении с использованием осцилляторов производства «Гидробур-сервис» (ГБС) выполнение запланированной скорости находилось в пределах от 90 % до 170 %. При использовании осцилляторов другого производителя фактическая МСП по отношению к запланированной была в пределах 70 % – 85 %. Также при бурении с осцилляторами ГБС скорость в режиме «слайд» (рис. 4) в среднем выше, чем при бурении с осцилляторами другого производителя, несмотря на меньшую запланированную МСП. Профиль скважины, геологические условия, оборудование КНБК и параметры бурового раствора для проведения сравнительного анализа были подобраны максимально идентичными. Часть обозначенных параметров приведена в табл.

ВЫВОДЫ
Использование осциллятора в составе бурильной колонны позволяет сократить время на ориентирование, снижает количество подвисаний и срывов КНБК на забой при бурении в режиме «слайда», тем самым позволяет пробурить участок в режиме направленного бурения более качественно, снижает количество или полностью исключает необходимость введения смазывающих добавок. Однако были случаи, когда положительный эффект от работы осциллятора не наблюдался. На данный момент продолжаются опытно-промышленные испытания осцилляторов.

Источник

Скважинный осциллятор

Осциллятор представляет собой систему, обеспечивающую создание колебательных движений. Подобные системы применяются во множестве отраслей, в том числе – в сфере бурения скважин. Задачей скважинного осциллятора является снижение сил трения, возникающих между бурильной колонной и стенками скважины при бурении горизонтально-наклонных стволов нефтяных скважин.

Нередко скважинный осциллятор называют генератором колебаний колонны бурильных труб, что по сути описывает принцип работы устройства. В отличие от химических методов уменьшения сил трения, которые заключаются в применении разнообразных смазочных добавок, осциллятор воздействует на колонну бурильных труб механически. К той же категории механических устройств, способных снижать показатели колебания бурильной колонны относятся центраторы, калибраторы и другие устройства, включенные в компоновку колонны.

Результатом применения таких устройств является увеличение проходки на долото и повышение механической скорости бурения. Кроме того, применение скважинного осциллятора позволяет:

Примером конструкции скважинного осциллятора является следующее устройство: корпус, внутри которого установлена калиброванная втулка, ось, клапан, а также верхний и нижний диффузоры. Принцип работы заключается в следующем: по колонне бурильных труб к устройству насосами с поверхности подается промывочный раствор. По проходному каналу направленный поток промывочной жидкости попадает на клапанный узел, в результате чего клапан начинает совершать колебания, попеременно наклоняясь разными сторонами к проходному каналу. Это обеспечивает частичное перекрытие проходного канала в определенные моменты. Таким образом, забоя скважины достигают низкочастотные колебания промывочной жидкости, обеспечивающие снизить коэффициент трения.

К сожалению, надежность данного способа снижения показателя трения бурильной колонны о стенки скважины до сих пор вызывает сомнения у многих практикующих специалистов. Несмотря на множество лабораторных исследований с хорошими результатами, невозможно гарантировать высокую эффективность применения этого устройства. Сегодня доработки и исследования, направленные на совершенствование и развитие скважинных осцилляторов продолжаются.

Чтобы задать вопрос или сделать заявку,
нажмите на кнопку ниже:

Источник

Осциллятор для бурильной колонны

Владельцы патента RU 2565316:

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, в частности к осцилляторам для бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну. Осциллятор содержит героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий статор и расположенный внутри него ротор, и клапан, клапанные элементы которого взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан. Осциллятор содержит плунжерный модуль, трансмиссионный вал, радиально-упорную опору вращения и генератор гидромеханических импульсов, содержащий корпус, размещенную внутри корпуса оправку, элементы для передачи крутящего момента между корпусом и оправкой, пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, кольцевой поршень с уплотнениями, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения во входной части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости-масла, ограниченную уплотнениями во входной части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки. Вращательный привод для передачи момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки. Повышается ресурс и надежность осциллятора, снижаются силы трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшаются крутильные напряжения в бурильной колонне при наклонно-направленном бурении, снижается вероятность прихвата бурильной колонны, обеспечивается возможность приложения осевой нагрузки на осциллятор при работе гидромеханическим ясом для освобождения от прихвата, повышается ресурс долота и скорость проходки скважины. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, в частности к осцилляторам для бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну для уменьшения сил трения о стенки скважины, снижения крутильных напряжений в бурильной колонне, увеличения ресурса долота и повышения скорости проходки при наклонно-направленном бурении нефтяных скважин.

Известен забойный инструмент для очистки обсаженного участка скважины, содержащий корпус, входное отверстие для флюида, через которое флюид может войти в корпус, и множество выходных отверстий, через которые флюид может выйти из корпуса и воздействовать на материал стенки скважины, а также компоновку клапанов для избирательного регулирования объема флюида, направленного из выходного отверстия между, по меньшей мере, одним из выходных отверстий и, по меньшей мере, еще одним другим выходным отверстием, при этом с компоновкой клапанов в первой конфигурации больший объем флюида направляется от входного отверстия в указанное, по меньшей мере, одно из выходных отверстий, и меньший объем флюида направляется от входного отверстия в указанное, по меньшей мере, еще одно другое выходное отверстие, и с компоновкой клапанов во второй конфигурации меньший объем флюида направляется из внутренней полости в указанное, по меньшей мере, одно из выходных отверстий и больший объем флюида направляется от входного отверстия в указанное, по меньшей мере, еще одно другое выходное отверстие (US 8251144 B2, 28.08.2012).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность использования в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) для создания гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний для снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при роторном бурении (с вращением бурильной колонны) боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин винтовым героторным гидравлическим двигателем, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны, возникающего под действием перепада давления, что объясняется отсутствием выходной проточной части, необходимой для подачи бурового раствора под давлением в компоновку низа бурильной колонны для привода ротора винтового героторного гидравлического двигателя с долотом.

Компоновка низа бурильной колонны (КНБК) включает обычно винтовой героторный гидравлический двигатель, долото, регулятор угла перекоса, центраторы с жесткими лопастями, расширители, утяжеленные бурильные трубы, гидравлические ясы, скважинные модули телеметрической системы, например, модули измерения (MWD) и каротажа (LWD), необходимые для направленного бурения скважины.

Известно забойное импульсное устройство в сочетании с бурильной колонной, включающей насосно-компрессорные трубы, буровой двигатель, состоящий из статора, подсоединенного к насосно-компрессорным трубам, и ротора, зафиксированного в статоре таким образом, чтобы вращаться относительно статора и насосно-компрессорных труб под влиянием потока бурового флюида под давлением в насосно-компрессорных трубах, буровое долото, присоединенное к нижнему концу ротора бурового двигателя таким образом, чтобы вращаться с ротором бурового двигателя, и фиксатор ротора, забойное импульсное устройство, включающее трубчатый корпус, соединенный с насосно-компрессорными трубами, корпусом, имеющим осевое отверстие, простирающееся вдоль оси, чтобы сделать возможным проход через него бурового флюида, клапан, размещенный в отверстии трубчатого корпуса и определяющий размер сечения для потока бурового флюида, клапан, состоящий из неподвижной части, неподвижно расположенный относительного трубчатого корпуса, и вращающейся частью, подвижно расположенной в трубчатом корпусе таким образом, чтобы варьировать площадь проходного сечения за счет вращения вращающейся части относительно неподвижной части, а также приводное звено, расположенное между вращающейся частью клапана и ротором бурового двигателя, так чтобы вращать вращающуюся часть клапана относительно насосно-компрессорных труб вместе с ротором бурового двигателя, при этом фиксатор ротора включает кольцевой стопорный элемент, монтированный последовательно с насосно-компрессорными трубами между корпусом статора бурового двигателя и трубчатым корпусом импульсного устройства и фиксирующий элемент, проходящий через стопорный элемент таким образом, чтобы подсоединяться между ротором бурового двигателя и приводным звеном, а также фиксирующий элемент, включающий часть увеличенного размера над стопорным элементом, который не может проходить через кольцевой стопорный элемент (US 8181719 B2, 22.05.2012).

Недостатком известной конструкции является увеличивающийся при работе продольный люфт плунжера 80, а также необходимость настройки расходного сечения 64 в положении, когда перекрываются каналы 70 плунжера 80 при помощи резьбовой втулки 48 и винтов 52, при этом плунжер 80 удерживается в продольном направлении карданным валом 72, переходником 32, ротором 20 винтового героторного двигателя, шпиндельным узлом, скрепленным с долотом 22, и определяет величину продольного люфта плунжера 80, щелевого конического канала 64 и расход бурового раствора через сечения 64, изображено на фиг. 4, 6, 8.

Вследствие этого, по мере наработки известного забойного импульсного устройства в сочетании с бурильной колонной, снижаются энергетические характеристики импульсов давления текучей среды, направленных против потока в сторону ударного инструмента, а также не обеспечивается механическая мощность ударного инструмента, необходимого для уменьшения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при роторном бурении горизонтального ствола наклонно-направленной скважины, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны, возникающего под действием перепада давления.

Известно импульсное устройство потока для обеспечения ударного эффекта, содержащее корпус для установки в колонне, на корпусе имеется сквозное отверстие для обеспечения прохождения жидкости через него, клапан, расположенный в отверстии, для обеспечения прохода потока, включающий компонент клапана, который является подвижным для того, чтобы изменять площадь прохождения текучей среды, предназначенный для изменения потока текучей среды, проходящей через него, а также гидравлический забойный двигатель с гидравлическим приводом, функционально связанный с клапаном для привода компонента клапана и устройство, чувствительное к давлению, которое расширяется или сужается в ответ на изменение давления жидкости, создающееся посредством изменения потока жидкости, при этом сужение и расширение устройства, чувствительного к давлению, обеспечивает ударный эффект (US 6279670 B1, 28.08.2001).

Недостатком известной конструкции является ее сложность и высокая стоимость, а также то, что импульсная сила используется преимущественно для создания эффекта ударного бурения на долоте, вследствие этого снижаются технологические возможности использования в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) для создания гидромеханических импульсов с заданной частотой и амплитудой колебаний, воздействующих на колонну для снижения сил трения вращающейся бурильной колонны о стенки скважины, уменьшения крутильных напряжений в бурильной колонне при роторном бурении горизонтального ствола наклонно-направленной скважины, а также для предотвращения прихвата бурильной колонны, возникающего под действием перепада давления.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является ударно-вращательное устройство, содержащее корпус, приспособленный для монтажа на опорном элементе, объемный двигатель, имеющий статор и ротор, в котором при эксплуатации ротор колеблется, вращаясь и перемещаясь в поперечном направлении внутри статора, и клапан, включающий колеблющийся первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, причем каждый клапанный элемент образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент соединен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, при этом при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение через клапан, и, по меньшей мере, одно из отверстий клапанных элементов смещено от соответствующей основной продольной оси (RU 2362866 C2, 27.07.2009).

При работе перепад давления бурового раствора через винтовой героторный гидравлический двигатель 19 сдвигает в сторону клапанного устройства 30 ротор 24, этой силе препятствует клапанное устройство 30, управляемое (вращаемое) ротором 24 двигателя 19, при этом перепад давления может быть через двигатель 19 в противоположном направлении и может сдвигать ротор 24 в сторону упора 32 с поперечной стенкой, расположенного на входе в двигатель, вследствие этого ротор 24 сам является источником знакопеременных осевых ударных нагрузок.

Недостатком известной конструкции является жесткое закрепление колеблющейся пластины 34 из твердого сплава (карбида вольфрама) в клапанном элементе 38, который определяет главную продольную ось A, и жестко скреплен резьбой 42 с ротором 24, вследствие этого не обеспечивается ресурс, при этом основные дефекты известной конструкции выкрашивания, сколы и разрушения скользящих контактных прямоугольных торцов колеблющейся пластины 34 и неподвижной клапанной пластины 36, также из твердого сплава, изображено на фиг. 3, 5.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение ресурса и надежности осциллятора для бурильной колонны, снижение сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшение крутильных напряжений в бурильной колонне, повышение ресурса долота и увеличение скорости проходки при наклонно-направленном бурении скважин за счет повышения энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды, повышения механической мощности генератора гидромеханических импульсов, увеличения усталостной выносливости и прочности клапанных пластин в клапанных элементах, а также за счет повышения точности установки рабочего хода на сжатие при определенном усилии продольного сжатия внутренних трубчатых элементов генератора гидромеханических импульсов.

Другой технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение возможности приложения сверхвысокой осевой нагрузки на осциллятор при работе гидромеханическим ясом (для удара вверх) в компоновке бурильной колонны для освобождения от прихвата за счет того, что вращательный привод для передачи момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки.

Сущность технического решения заключается в том, что в осцилляторе для бурильной колонны, содержащем героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий статор с закрепленной в нем обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера смещены между собой на величину эксцентриситета, и клапан, включающий первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, первый клапанный элемент снабжен первой клапанной пластиной, второй клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, причем второй клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент скреплен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, при этом при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, согласно изобретению содержит плунжерный модуль, скрепленный с первым клапанным элементом, первая клапанная пластина размещена внутри плунжерного модуля с возможностью продольного перемещения, а плунжерный модуль снабжен пружинным устройством, нагружающим первую клапанную пластину для постоянного контакта со второй клапанной пластиной, размещенной во втором клапанном элементе, при этом первая клапанная пластина, размещенная в плунжерном модуле, имеет сплошной торец для контакта со второй клапанной пластиной, установленной во втором клапанном элементе и образующей клапанное отверстие, а также содержит трансмиссионный вал, скрепленный с входной частью ротора, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в указанной радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения и скрепленный с трансмиссионным валом, и генератор гидромеханических импульсов, расположенный ваше по потоку от радиально-упорной опоры вращения, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи крутящего момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные i рубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости-масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом вращательный привод для передачи момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки.

В генераторе гидромеханических импульсов продольный ход A при растяжении корпуса и оправки относительно друг друга и продольный ход B при продольном сжатии корпуса и оправки относительно друг друга связаны соотношением: A=(1,45÷1,55)B.

В генераторе гидромеханических импульсов элементы для передачи вращающего момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга выполнены в виде шлицевого соединения, а ударное кольцо выполнено разъемным в меридианном направлении и установлено в кольцевой канавке между торцами наружных шлицов оправки с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки.

Выполнение осциллятора для бурильной колонны таким образом, что содержит плунжерный модуль, скрепленный с первым клапанным элементом, первая клапанная пластина размещена внутри плунжерного модуля с возможностью продольного перемещения, а плунжерный модуль снабжен пружинным устройством, нагружающим первую клапанную пластину для постоянного контакта со второй клапанной пластиной, размещенной во втором клапанном элементе, при этом первая клапанная пластина, разметенная в плунжерном модуле, имеет сплошной торец для контакта со второй клапанной пластиной, установленной во втором клапанном элементе и образующей клапанное отверстие, а также содержит трансмиссионный вал, скрепленный с входной частью ротора, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в указанной радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения и скрепленный с трансмиссионным валом, и генератор гидромеханических импульсов, расположенный ваше по потоку от радиально-упорной опоры вращения, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи крутящего момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости-масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом вращательный привод для передачи момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки, обеспечивает повышение ресурса и надежности осциллятора, снижение сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшение крутильных напряжений в бурильной колонне при наклонно-направленном бурении скважин, повышение ресурса долота и увеличение скорости проходки скважин за счет повышения энергетических характеристик пульсирующего давления текучей среды, повышения механической мощности генератора гидромеханических импульсов, увеличения усталостной выносливости и прочности клапанных пластин в клапанных элементах, а также за счет повышения точности установки рабочего хода на сжатие при определенном усилии продольного сжатия внутренних трубчатых элементов генератора гидромеханических импульсов.

Выполнение осциллятора для бурильной колонны таким образом, что в генераторе гидромеханических импульсов продольный ход A при растяжении корпуса и оправки относительно друг друга и продольный ход B при продольном сжатии корпуса и оправки относительно друг друга связаны соотношением: A=(1,45÷1,55)B, обеспечивает возможность установки натяга пакета пружин и требуемых характеристик генератора гидромеханических импульсов (возможность регулировки), обеспечивает возможность установки минимальных продольных сжимающих усилий (при работе генератора гидромеханических импульсов с минимальной нагрузкой на долото), а также возможность установки диапазона продольных сжимающих усилий генератора гидромеханических импульсов при различных сочетаниях осевых нагрузок на долото и перепадов давления бурового раствора.

Выполнение осциллятора для бурильной колонны таким образом, что в генераторе гидромеханических импульсов элементы для передачи вращающего момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга выполнены в виде шлицевого соединения, а ударное кольцо выполнено разъемным в меридианном направлении и установлено в кольцевой канавке между торцами наружных шлицов оправки с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки, обеспечивает возможность приложения сверхвысокой осевой нагрузки (160000 кгс) на осциллятор при работе гидромеханическим ясом (для удара вверх) в компоновке бурильной колонны для освобождения от прихвата.

Ниже представлен осциллятор для бурильной колонны ОС-172РС, размещаемый в компоновке низа бурильной колонны, включающей героторный винтовой гидравлический двигатель Д-172РС с регулятором угла перекоса и долотом.

На фиг. 1 изображен осциллятор для бурильной колонны, предназначенной для размещения в компоновке низа бурильной колонны.

На фиг. 2 изображен элемент I на фиг. 1 подпружиненного плунжерного модуля для клапанного механизма осциллятора.

На фиг. 3 изображен героторный винтовой многозаходный гидравлический двигатель, приводящий в движение клапанный механизм осциллятора.

На фиг. 4 изображен поперечный разрез А-А на фиг. 3 героторного винтового многозаходного гидравлического двигателя.

На фиг. 5 изображен элемент II на фиг. 1: радиально-упорная опора вращения.

На фиг. 6 изображен генератор гидромеханических импульсов.

На фиг. 7 изображен разрез Б-Б на фиг. 6 поперек шлицевого соединения между корпусом и оправкой в генераторе гидромеханических импульсов.

На фиг. 8 изображен разрез В-В на фиг. 6 поперек разъемного ударного кольца, установленного в кольцевой канавке между торцами наружных шлицов оправки в генераторе гидромеханических импульсов.

Ход 8, Т винтовой линии внутренних винтовых зубьев 4 обкладки 3 из эластомера в статоре 2 (или шаг P_z каждого винтового зуба 4) и ход 9, Т1 наружных винтовых зубьев 6 ротора 2 (или шаг P_z каждого винтового зуба 6) равен расстоянию по сосной поверхности между двумя положениями точки, образующей линию винтового зуба, соответствующими ее полному обороту вокруг оси зубчатого колеса, например, вокруг центральной продольной оси 11 обкладки 3 из эластомера, закрепленной в статоре 2, или вокруг центральной продольной оси 10 ротора 5, показано, например, в ГОСТ 16530-83, стр. 17.

Радиально-упорная опора вращения 37 выполнена в виде упорно-радиального многорядного подшипника 40 и нижней радиальной опоры скольжения, состоящей из наружной втулки 41 и внутренней втулки 42, размещенных в корпусе 43 радиально-упорной опоры вращения, и соответственно, на полом валу 38, изображено на фиг. 1, 5.

Наружная и внутренняя втулки, соответственно, 41 и 42 нижней радиальной опоры скольжения выполнены, каждая в виде единой конструкции с пластинами 44 из твердого сплава, преимущественно из карбида вольфрама, при этом пластины 44 скреплены между собой пропиткой твердого сплава компонентами связки-припоя, а расплавленный порошок связки-припоя для крепления пластин 44 из твердого сплава содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Ni 32÷47, Fe 2, Ск 7÷14, Si 2, WC остальное, изображено на фиг. 1, 5.

В верхней части внутреннего трубчатого элемента 51 выполнена внутренняя резьба 55, предназначенная для соединения с низом верхней части бурильной колонны (не показанной), внутренние трубчатые элементы 51 и 52 скреплены резьбой 56, наружные трубчатые элементы 47 и 48 скреплены резьбой 57, наружные трубчатые элементы 48 и 49 скреплены резьбой 58, в нижней части наружного трубчатого элемента 49 выполнена внутренняя резьба 59, при этом через оправку 50 прокачивается буровой раствор 7 при гидростатическом давлении, например, 25÷40 МПа, изображено на фиг. 1, 6.

Генератор 45 гидромеханических импульсов содержит пружинный модуль 60 (тарельчатые пружины) между корпусом 46 (наружными трубчатыми элементами 47, 48, 49) и оправкой 50 (внутренними трубчатыми элементами 51, 52), упорную втулку 61 между верхним упорным торцом 62 корпуса 46 (наружного трубчатого элемента 47) и пружинным модулем 60, изображено на фиг. 1, 6.

Генератор 45 гидромеханических импульсов содержит верхний упорный торец 63 шлицов 54 оправки 50 (внутреннего трубчатого элемента 51) и нижний упорный торец 64 корпуса 46 (наружного трубчатого элемента 49), одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль 60 при продольном сжатии корпуса 46 и оправки 50 относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 6.

Генератор 45 гидромеханических импульсов содержит верхний упорный торец 62 корпуса 46 (наружного трубчатого элемента 47) и нижний упорный торец 65 оправки 50 (внутреннего трубчатого элемента 52), одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль 60 (тарельчатые пружины) через упорную втулку 61 между верхним упорным торцом 62 корпуса 46 (наружного трубчатого элемента 47) и пружинным модулем 60 при растяжении корпуса 46 и оправки 50 относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 6.

Генератор 45 гидромеханических импульсов содержит кольцевой поршень 66 с уплотнениями 67 на наружной поверхности 68 и уплотнениями 69 на внутренней поверхности 70, установленный между внутренней поверхностью 71 наружного трубчатого элемента 49 корпуса 46 и наружной поверхностью 72 внутреннего трубчатого элемента 52 оправки 50, реагирующий на давление текучей среды 7 (бурового раствора), прокачиваемого внутри оправки 50 и корпуса 46 под давлением, например, 25÷40 МПа.

Генератор 45 гидромеханических импульсов содержит уплотнения 73 в верхней части 74 между корпусом 46 и оправкой 50 и камеру 75 для рабочей жидкости-масла, например, Mobilube I SHC 75W-90, ограниченную уплотнениями 73 в верхней части 74 корпуса 46 и уплотнениями 67, 69 кольцевого поршня 66 между корпусом 46 и оправкой 50, а также содержит упорное кольцо 76, установленное при помощи резьбы 77 на внутреннем трубчатом элементе 52, составляющем нижнюю часть 78 оправки 50, изображено на фиг. 1, 6.

Кольцевой поршень 66 с уплотнениями 67 на наружной поверхности 68 и уплотнениями 69 на внутренней поверхности 70 установлен с возможностью продольного перемещения между внутренней поверхностью 71 наружного трубчатого элемента 49 корпуса 46 и наружной поверхностью 72 внутреннего трубчатого элемента 52 оправки 50 и разделяет камеру 75 для рабочей жидкости-масла, например, Mobilube I SHC 75W-90, ограниченную уплотнениями 73 в верхней части 74 корпуса 46 и уплотнениями 67, 69 кольцевого поршня 66 между корпусом 46 и оправкой 50, от внутренней полости оправки 50 и корпуса 46, через которые прокачивается буровой раствор 7 при гидростатическом давлении, например, 25÷40 МПа, что способствует растяжению корпуса 46 и оправки 50 относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 6.

В генераторе 45 гидромеханических импульсов вращательный привод для передачи момента между оправкой 50 и корпусом 46 (для вращения бурильной колонны) при продольном перемещении относительно друг друга, по существу, элементы для передачи вращающего момента: наружные шлицы 54 на верхней части 51 оправки 50 между корпусом 46 и оправкой 50 и соответствующие им внутренние шлицы 53 внутри верхней части 47 корпуса 46, снабжен ударным кольцом 79, установленным в оправке 50, по существу, во внутреннем трубчатом элементе 51 с возможностью продольного перемещения оправки 50 с ударным кольцом 79 внутри упорной втулки 61, размещенной в наружном трубчатом элементе 48 корпуса 46, изображено па фиг. 1, 6, 7, 8.

В генераторе 45 гидромеханических импульсов элементы для передачи вращающего момента между оправкой 50 и корпусом 46 при продольном перемещении относительно друг друга выполнены в виде шлице во го соединения: наружные шлицы 54 на внутреннем трубчатом элементе 51 оправки 50 между корпусом 46 и оправкой 50 и соответствующие им внутренние шлицы 53 внутри наружного трубчатого элемента 47 корпуса 46, а ударное кольцо 79 выполнено разъемным в меридианном направлении 80, по существу, из двух частей 81 и 82 и установлено в кольцевой канавке 83 между торцами 84 и 85 наружных шлицов 54 оправки 50 (внутреннего трубчатого элемента 51) с возможностью продольного перемещения оправки 50 с ударным кольцом 79 внутри упорной втулки 61, размещенной в наружном трубчатом элементе 48 корпуса 46, изображено на фиг. 1, 6, 7, 8.

В генераторе гидромеханических импульсов продольный ход 86, A при растяжении корпуса 46 и оправки 50 относительно друг друга и продольный ход 87, B при продольном сжатии корпуса 46 и оправки 50 относительно друг друга связаны соотношением: A=(1,45÷1,55)B, изображено на фиг. 6.

Осциллятор для бурильной колонны размещают над героторным винтовым гидравлическим двигателем Д-172РС с регулятором угла перекоса и долотом или в компоновке низа бурильной колонны в том месте, где ожидаются максимальные силы трения бурильной колонны о стенки скважины, например, при бурении боковых горизонтальных стволов нефтяных скважин при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30÷300 м.

Буровой раствор 7 прокачивается через многозаходные винтовые (шлюзовые) камеры между наружными винтовыми зубьями 6 винтового ротора 5 и внутренними винтовыми зубьями 4 обкладки 3 из эластомера, закрепленной в статоре 2, при этом поток бурового раствора 7 образует область высокою давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор 5 внутри эластомерной обкладки 3, закрепленной в статоре 2, изображено на фиг. 1, 3, 4.

Винтовые многозаходные камеры между винтовыми зубьями ротора 5 и винтовыми зубьями эластомерной обкладки 3, закрепленной в статоре 2, имеют переменный объем и периодически перемещаются по потоку бурового раствора 7.

При размещении осциллятора над героторным винтовым гидравлическим двигателем Д-172РС, буровой раствор 7 прокачивается через нижний переводник 89, многозаходные винтовые камеры между винтовыми зубьями ротора и винтовыми зубьями обкладки из эластомера, закрепленной в статоре указанного двигателя, при этом поток бурового раствора 7 образует область высокого давления и момент от гидравлических сил, который приводит в планетарно-роторное вращение ротор внутри эластомерной обкладки, закрепленной в статоре, ротор двигателя передает вращающий момент (в противоположном направлении) через карданный вал, вал шпиндельной секции на долото, осуществляя бурение скважины, при этом для предотвращения прихвата одновременно осуществляют вращение бурильной колонны в скважине ротором бурового станка, например, 5000ЭУ, частота вращения бурильной колонны 10÷20 об/ мин.

При этом генератор 45 гидромеханических импульсов, реагирующий на давление текучей среды 7 (бурового раствора), прокачиваемого внутри оправки 50 и корпуса 46 под давлением 25÷35 МПа, возбуждает продольно-циклические колебания бурильной колонны с частотой 17÷23 Гц при расходе бурового раствора 32÷38 л/с.

При выполнении осциллятора для бурильной колонны таким образом, что генератор 45 гидромеханических импульсов содержит элементы для передачи вращающего момента: наружные шлицы 54 на верхней части 51 оправки 50 между корпусом 46 и оправкой 50 и соответствующие им внутренние шлицы 53 внутри верхней части 47 корпуса 46, а также снабжен ударным кольцом 79, установленным в оправке 50, по существу, во внутреннем трубчатом элементе 51 с возможностью продольного перемещения оправки 50 с ударным кольцом 79 внутри упорной втулки 61, размещенной в наружном трубчатом элементе 48 корпуса 46, обеспечивается возможность приложения сверхвысокой осевой нагрузки (160000 кгс) на осциллятор при работе гидромеханическим ясом (для удара вверх) в компоновке бурильной колонны для освобождения от прихвата.

Изобретение повышает ресурс и надежность, обеспечивает снижение сил трения бурильной колонны о стенки скважины, уменьшение крутильных напряжений в бурильной колонне при наклонно-направленном бурении скважин, повышение ресурса долота и увеличение скорости проходки скважины, а также упрощает управление компоновкой низа бурильной колонны при включении в нее осциллятора.

2. Осциллятор для бурильной колонны по п. 1, отличающийся тем, что в генераторе гидромеханических импульсов продольный ход A при растяжении корпуса и оправки относительно друг друга и продольный ход B при продольном сжатии корпуса и оправки относительно друг друга связаны соотношением: A=(1,45÷1,55)B.

3. Осциллятор для бурильной колонны по п. 1, отличающийся тем, что в генераторе гидромеханических импульсов элементы для передачи вращающего момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга выполнены в виде шлицевого соединения, а ударное кольцо выполнено разъемным в меридианном направлении и установлено в кольцевой канавке между торцами наружных шлицов оправки с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки.

Источник