3.1. Силовые органы для создания нагрузок на инструмент

при бурении

Для разрушения породы на забое, перемещения инструмента по мере разрушения породы требуется приложение силовых нагрузок на буровой инструмент. Для этой цели применяются силовые исполнительные органы, среди которых наиболее часто используются следующие механизмы, обеспечивающие реализацию наиболее распространенных способов разрушения породы (табл. 3.1.1).

Наиболее распространенные способы разрушения породы и силовые органы для разрушения забоя

Таблица 3.1.1

Способ разрушения породы	Параметры силовых импульсов	Силовые органы для разрушения забоя, механизмы буровых установок и забойных машин
Вращательный	Крутящий момент, частота вращения, Осевая нагрузка, скорость подачи	Вращатели. Механизмы (регуляторы) подачи. Забойные (погружные вращатели). Забойные механизмы подачи.
Гидромониторный	Скорость струи (расход жидкости и добавление)	Буровой насос. Гидромониторная насадка (сопло) долота;
Ударно-вращательный	Осевая нагрузка. Крутящий момент. Энергия удара. Частота ударов.	Вращатель. Механизм подачи. Ударный механизм (пневмоударник, гидроударник).

Величина параметров этих механизмов зависит от ф.м.с. горных пород, типа породоразрушающего инструмента.

Эти механизмы кроме выполнения основной функции применяются для выполнения следующих технологических операций:

- спуск бурильных обсадных труб, в т.ч. c вращением;

- расхаживание инструмента при бурении;

- ликвидация аварий;

- отбор проб.

Конструкция силовых исполнительных органов зависит от способа и условий бурения, выполняемых технологических операций, параметров бурового инструмента. В данном разделе приводится описание наиболее распространенных вращателей и механизмов подачи. Описание конструкций погружных механизмов приведено в главе: Инструмент для бурения скважин.

3.1.1. Вращатели

В процессе сооружения и эксплуатации скважин вращатель может выполнять следующие операции технологического процесса (технологические функции):

1. Вращение инструмента при выполнении процессов:

1. бурение горных пород и цементных мостов;

2. проработка ствола при спуске-подъеме с вращением;

3. фрезерование обсадных колонн и БИ при ликвидации аварий;

4. спуск обсадных труб с вращением;

5. свинчивание-развинчивание всех типов инструмента;

6. расхаживание инструмента с вращением.

2. Фиксирование инструмента от проворачивания при бурении с погружным вращателем.

3. Передача осевой нагрузки на инструмент при бурении с нагрузкой.

4. Восприятие осевой нагрузки от веса труб при бурении с разгрузкой и при расхаживании инструмента.

5. Перемещение инструмента вдоль оси скважины при бурении, расхаживании, СПО.

6. Удержание инструмента на устье скважины на весу.

7. Подача очистного агента во вращающуюся колонну труб.

9. Установка определенного угла при забуривании скважины.

10. Укладка бурового инструмента при выполнении спуско-подъемных операций.

В ряде случаев конструкция вращателя должна предусматривать возможность освобождения устья скважины при проведении работ и исследований (обсадка, спуск керноприемника, каротажные работы, спуско-подъемные операции), а также учитывать требования по проведению специальных работ в скважине (тампонаж, цементация, опробование и т.д.). В случае опасности выброса жидкости из скважины в конструкции вращателя должны быть предусмотрены элементы, препятствующие обратному ходу жидкости во внутреннем канале бурильных труб.

Вращатель, как правило, работает со следующими видами бурового инструмента: бурильные трубы (БТ); штанги для ударно-вращательного бурения (ШУ), обсадные трубы (ОТ); насосно-компрессорные трубы (НКТ); насосные штанги для ПШГН (ШН); шнеки (Ш); специальные забойные компоновки.

Классификация вращательных механизмов

В настоящее время все вращатели подразделяются на шпиндельные, роторные и подвижные (проходные и непроходные) /1/. Эта классификация не дает достаточно полного представления о разнообразии конструкций вращателей и поэтому не позволяет обоснованно подойти к выбору их конструкции. Ниже предлагается классификация вращателей по 3 признакам: функциям, конструкции, параметрам.

Функциональная классификация

Все вращатели по этому признаку можно разделить на две группы:

1. Cпециализированные;

2. Многофункциональные /универсальные/.

Специализированные вращатели используются в тех случаях, когда объем каждой операции технологического процесса достаточно велик и диапазоны изменения параметров процессов на каждой операции существенно различаются. В этом случае для выполнения каждой операции применяется отдельный механизм или группа механизмов. Например:

• вращение бурильных труб - вращатель для бурильных труб (ВБТ);

• вращение обсадных труб - вращатель обсадных труб (ВОТ);

• свинчивание-развинчивание труб - механизм свинчивания-развинчивания (МСР);

• передача осевой нагрузки и перемещение бурового инструмента – механизм подачи (МП);

• подача очистного агента в бурильные трубы - сальник (С);

• подача очистного агента и перемещение инструмента - вертлюг (СВ).

Многофункциональный вращатель, как правило, может выполнять более 3 функций. Например, подвижный вращатель (верхний привод) может выполнять все 10 функций.

Конструктивная классификация

В основу конструктивной классификации может быть положена конструкция элементов вращателя, обеспечивающих выполнение основных операций технологического процесса, т.е. конструкция устройств для выполнения отдельных функций технологического процесса и их взаимная увязка. Например, конструкция устройства для передачи вращения на буровой инструмент, устройства, обеспечивающего перемещение инструмента вдоль оси скважины и т.д.

В таблице 3.1.2 приведены некоторые варианты конструктивного выполнения органов для выполнения основных технологических функций.

Обозначения, принятые в классификации: Д – двигатель (ДВС); Р – редуктор; ЭД – электродвигатель; ГД – гидродвигатель; ПД – пневмодвигатель; К – компрессор; ИО – устройство, передающее нагрузки на инструмент (патрон, ниппель, элеватор).

В качестве примера использования морфологической таблицы на рис. 3.1.1. приведена схема синтеза роторного вращателя.

Рис.1. Компоновка роторного вращателя с сальником-вертлюгом.

(СВ – вертлюг, Э – элеватор, ВБТ – ведущая бурильная труба, БТ – бурильная труба, КЗ – клиновой захват, ВКЛ - вкладыш).