RU2038461C1

RU2038461C1 - Vibrator for a drilling string

Info

Publication number: RU2038461C1
Authority: RU
Inventors: А.С. Зверев; В.Ю. Артамонов; В.В. Крупин
Original assignee: Артамонов Вадим Юрьевич
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1992-03-16
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: drilling. SUBSTANCE: oncoming cone-shaped turnings are made on internal surface of the shaft in stalled in the casing. Seats are made in the place, where the turnings are come across. The seats are used for relief valve, provided with openings for hydraulic communication between axial shaft passage and annular cavity between the seat and casing. A partition is able to pass through the seat of the relief valve, and the diameter of the valve is smaller than that of the partition and shaft axial passage. Inlet passages are made if the form of jets. The vibrator is provided with a trap for the relief valve installed under shaft support. EFFECT: effective influence on sticking area. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, в частности для ликвидации или предотвращения аварий, связанных с прихватами. The invention relates to drilling equipment, in particular for the elimination or prevention of accidents associated with tacking.

Известен вибратор для ликвидации прихватов колонны труб в скважине, включающий расположенные в корпусе вал с приводом, вал снабжен дисбалансом на одном конце, двумя группами бойков, расположенных на расстоянии друг от друга, и опорой между группами бойков (авт.свид СССР N 1492019, кл. Е 21 В 31/107, опубл. 7.07.89). A vibrator is known for eliminating sticks of a pipe string in a well, including a shaft with a drive located in the housing, the shaft is equipped with an imbalance at one end, two groups of strikers located at a distance from each other, and a support between the groups of strikers (autosvid USSR No. 1492019, class E 21B 31/107, publ. 7.07.89).

Вращающийся вал под влиянием дисбаланса несимметричен с корпусом относительно опоры, вследствие чего противолежащими в разных группах бойками наносит удары по стенке корпуса с разных сторон от опоры. Under the influence of an imbalance, the rotating shaft is asymmetric with the body relative to the support, as a result of which it strikes opposite in different groups strikes against the housing wall from different sides of the support.

Недостатками этого вибратора является то, что при гидравлическом приводе для эффективной работы ввиду низкого КПД устройства требуется значительной мощности подающий гидроприводной насос, электрический привод ненадежен. The disadvantages of this vibrator is that when the hydraulic drive for efficient operation due to the low efficiency of the device requires a significant power feed hydraulic pump, the electric drive is unreliable.

Известно устройство для ликвидации прихвата бурильной колонны, содержащее корпус с наковальней на внутренней поверхности, ударник, установленный в направляющих и подпружиненный силовой пружиной, нагруженный встречными пружинами относительно корпуса клапан, взаимодействующий с удаpником, камеру запитки и промывочный канал через элементы устройства, затвор клапана сопрягается с его штоком посредством шарового шарнира, ударник выполнен с утонением в средней части и смонтирован в направляющих, установленных в корпусе, с возможностью углового перемещения относительно оси устройства (заявка N 4916976/03 от 5.03.91. Е21 В 31/113). A device is known for eliminating sticking of a drill string, comprising a housing with an anvil on the inner surface, a hammer mounted in the guides and spring loaded with a force spring, counter-spring loaded relative to the housing, a valve interacting with the hammer, a feed chamber and a flushing channel through the device elements, the valve shutter is mated to its rod by means of a ball joint, the hammer is made with thinning in the middle part and is mounted in guides installed in the housing, with the possibility of ovogo displacement relative to the tool axis (application N 4916976/03 from 5.3.91. In E21 31/113).

Нецентральный удар по наковальне обуславливает поворот ударника с передачей боковой поверхностью (ударника) кинетической энергии бурильной трубе, что вызывает волны поперечной деформации изгиба колонны бурильных труб. Off-center impact on the anvil causes the rotation of the hammer with the transfer of the kinetic energy of the drill pipe to the side surface (hammer), which causes waves of lateral bending of the drill string.

Недостатками этой конструкции является то, что относительно сложна конструкция, предназначенная для ликвидации аварии, но не для предотвращения ее, после ликвидации аварии требуются спуско-подъемные операции для извлечения сбросового запоpного органа (пробки). The disadvantages of this design is that the structure is relatively complex, designed to eliminate the accident, but not to prevent it, after the liquidation of the accident, hoisting and lifting operations are required to remove the dumping locking element (plug).

Наиболее близким по технической сущности является генератор колебаний бурильной колонны труб, включающий корпус и расположенные в нем турбину на полом валу, смонтированном в опорах, перегородку корпуса над турбиной с подводящими каналами в виде сопел и седло под сбросовый запорный орган. The closest in technical essence is the oscillator of the drill pipe string, including the casing and the turbine located in it on a hollow shaft mounted in the bearings, the casing partition above the turbine with inlet channels in the form of nozzles and a saddle for a relief shut-off element.

Недостатками этой конструкции является то, что генератор служит для ликвидации одной аварии, после чего требуется подъем и демонтаж для продолжения бурения скважины; мощность генератора определяется энергией подводящего потока и КПД генератора; фактическая мощность невелика ввиду невозможности придания большой массы дисбалансу ротора; рабочая частота колебаний генератора находится в узком диапазоне. The disadvantages of this design is that the generator serves to eliminate one accident, after which lifting and disassembling is required to continue drilling the well; generator power is determined by the energy of the supply stream and the efficiency of the generator; the actual power is small due to the impossibility of giving a large mass to the imbalance of the rotor; the operating oscillation frequency of the generator is in a narrow range.

Цель изобретения увеличение эффективности воздействия на зону прихвата за счет расширения видов процессов, возбуждаемых в грунте, и их интенсификации. The purpose of the invention is to increase the effectiveness of the impact on the sticking area by expanding the types of processes excited in the soil, and their intensification.

Направление сформированного соплом потока жидкости непосредственно на лопатки турбины увеличивает энергоотдачу потока, при этом количество оборотов турбины ограничивается не дисбалансом на валу (турбина уравновешена), а трением между элементами конструкции, что позволяет турбине развить большее количество оборотов в единицу времени и обуславливает больший запас кинетической энергии. The direction of the fluid flow generated by the nozzle directly to the turbine blades increases the energy efficiency of the flow, while the number of turbine revolutions is not limited by the imbalance on the shaft (the turbine is balanced), but by friction between the structural elements, which allows the turbine to develop a larger number of revolutions per unit time and leads to a larger supply of kinetic energy .

Возбуждение колебаний корпуса генератора обусловлено переводом запорного органа в полость вала турбины для создания эксцентриситета, т.е. в гнездо в полости вала. При этом энергия вращения тела изменяется от максимальной величины, так как скорость вращения уменьшается из-за появившейся нагрузки. The excitation of oscillations of the generator housing is due to the translation of the shut-off element into the cavity of the turbine shaft to create an eccentricity, i.e. into the socket in the shaft cavity. In this case, the energy of rotation of the body changes from the maximum value, since the rotation speed decreases due to the load.

Частота вибрационного воздействия на поверхность контакта металла труб с грунтом постепенно уменьшается, при этом меняются процессы на границе колонны труб с грунтом. The frequency of vibrational effects on the contact surface of the pipe metal with the soil gradually decreases, while the processes at the boundary of the pipe string with the soil change.

На чертеже изображен предлагаемый генератор колебаний, продольный разрез. The drawing shows the proposed oscillation generator, a longitudinal section.

Генератор колебаний бурильной колонны 1 содержит корпус 2 и расположенные в нем турбину 3 на полом валу 4, смонтированном в опорах 5 и 6, перегородку 7 над турбиной 3. Перегородка снабжена седлом 8 под сбросовый запорный орган 9. Седло выполнено упругим, т.е. с возможностью пропустить запорный орган, если на последний приложен импульс силы, например в виде воздействия еще одного сбросового запорного органа. В этой же перегородке 7 выполнены подводящие каналы 10, каждый в виде сопла, причем направлены они к лопаткам турбины. Вал 4 выполнен с полостью, ограниченной цилиндрической поверхностью, радиус которой увеличивается к середине вала, где выполнены, например, два гнезда для сбросового клапана, при этом не нарушающие уравновешенности вала. В стенке каждого гнезда просверлено отверстие 12. На выходе из генератора установлена ловушка 13 для сбросовых запорных органов. Седло 8 выполнено соосно с валом 4. Опора 6 выполнена с возможностью перемещения относительно корпуса 2. Генератор включен в компоновку бурильной колонны. В процессе бурения скважины промывочная жидкость к бурильному инструменту проходит через седло 8 и вал 4. При возникновении прихвата в бурильную колонну бросается запорный орган 9, который попадает в седло и перекрывает поток жидкости через вал турбины 3. Жидкость в полном объеме пойдет через каналы 10 к лопаткам турбины 3. Ввиду того, что турбина не имеет дисбаланса, т.е. уравновешена, она развивает максимум оборотов. После этого на сбросовый запорный орган, находящийся в седле 8, действуют импульсом силы, например сбрасывают второй запорный орган. Под действием импульса силы запорный орган 9 выбивается из седла 8 и попадает во вращающийся вал 4, где на него одновременно действуют три силы: гравитационная, давления жидкости и центробежная. Под действием первых двух он перемещается вниз, а под действием второй воздействует на стенку вала 4. При совмещении запорного органа 9 с гнездом он под действием центробежной силы удерживается в ней и перекрывает отверстие 12. Это создает разность давлений на поверхности запорного органа, обеспечивающей надежное удержание его в гнезде. The oscillation generator of the drill string 1 contains a housing 2 and a turbine 3 located therein on a hollow shaft 4 mounted in bearings 5 and 6, a partition 7 above the turbine 3. The partition is provided with a seat 8 for a relief shut-off member 9. The seat is made elastic, i.e. with the ability to skip the locking element, if the last impulse of force is applied, for example, in the form of the action of another discharge locking element. In the same partition 7, supply channels 10 are made, each in the form of a nozzle, and they are directed to the turbine blades. The shaft 4 is made with a cavity bounded by a cylindrical surface, the radius of which increases to the middle of the shaft, where, for example, two sockets for the relief valve are made, while not violating the balance of the shaft. A hole 12 is drilled in the wall of each socket. At the outlet of the generator, a trap 13 is installed for venting locking elements. The saddle 8 is made coaxially with the shaft 4. The support 6 is made with the possibility of movement relative to the housing 2. The generator is included in the layout of the drill string. In the process of drilling a well, flushing fluid to the drilling tool passes through the seat 8 and shaft 4. When a sticking occurs, a shut-off element 9 is thrown into the drill string, which enters the seat and blocks the fluid flow through the turbine shaft 3. The fluid will go through channels 10 to the full turbine blades 3. Due to the fact that the turbine does not have an imbalance, i.e. balanced, it develops a maximum of revolutions. After that, the discharge locking element located in the saddle 8 is affected by a force impulse, for example, the second locking element is reset. Under the action of a force impulse, the locking member 9 is knocked out of the saddle 8 and enters the rotating shaft 4, where three forces act simultaneously on it: gravitational, fluid pressure and centrifugal. Under the influence of the first two, it moves downward, and under the influence of the second it acts on the wall of the shaft 4. When the locking element 9 is combined with the socket, it is held in it by centrifugal force and closes the hole 12. This creates a pressure difference on the surface of the locking element, which ensures reliable retention him in the nest.

Запорный орган в гнезде смещен относительно оси вала (а значит и оси турбины), вследствие чего возбуждает вибрацию. Сначала высокочастотную, ввиду очень больших оборотов турбины. Затем частота уменьшается так как под действием возникшей нагрузки (от запорного органа) турбина уменьшает обороты. В результате воздействие на зону прихвата осуществляется в широком диапазоне частот и соответственно амплитуд. Воздействие с высокой частотой способствует, например, выделению жидкой фазы на поверхность контакта бурильной колонны с грунтом, что снижает силу трения и улучшает процесс извлечения колонны труб. Воздействие с низкой частотой обеспечивает более интенсивное механическое воздействие на грунт, изменяя механические условия контакта его с колонной, также способствует процессу ее извлечения. The locking element in the socket is offset relative to the axis of the shaft (and hence the axis of the turbine), as a result of which it excites vibration. First, high-frequency, due to the very high speed of the turbine. Then the frequency decreases because under the influence of the arising load (from the shut-off element) the turbine reduces the speed. As a result, the impact on the sticking zone is carried out in a wide range of frequencies and, accordingly, amplitudes. Exposure with a high frequency promotes, for example, the release of the liquid phase on the contact surface of the drill string with soil, which reduces the friction force and improves the extraction process of the pipe string. Exposure with a low frequency provides a more intense mechanical effect on the soil, changing the mechanical conditions of its contact with the column, also contributes to the process of its extraction.

Прихват колонны труб в скважине обусловлен следующим. После соприкосновения поверхности труб с фильтрационной коркой на стенке скважины возникают силы, препятствующие страгиванию колонны труб. Прихват является частным случаем статического трения между металлом труб и частицами твердой фазы фильтрационной корки. Большая доля сил взаимодействия между указанными парами приходится на механические силы трения, которые являются следствием кривизны скважины, перепада давления в системе скважина-пласт, наличие на стенках проницаемой фильтрационный корки, меньшая на адгезионные. Рост адгезионных сил завершается в течение 0,5 ч, механических в течение нескольких часов. The sticking of the pipe string in the well is due to the following. After the surface of the pipes comes into contact with the filter cake, forces appear on the wall of the well that prevent the pipe string from moving. A tack is a special case of static friction between the metal of the pipes and the particles of the solid phase of the filter cake. A large proportion of the interaction forces between the indicated pairs is accounted for by mechanical friction forces, which are a consequence of the well curvature, pressure drop in the well-formation system, the presence of permeable filter cake on the walls, which is less than the adhesive ones. The growth of adhesive forces is completed within 0.5 hours, mechanical within a few hours.

Широкий диапазон частот воздействия на грунт обуславливает большой спектр процессов в грунте: от выделения жидкости на поверхности металла труб с грунтом до грубого механического снятия сил статического трения, при этом в результате интенсивного поперечного встряхивания значительно уменьшается перепад давления с той и другой плоскости контакта труб с грунтом, а вследствие притока жидкости в контактную зону корки снижается напряжение по площади контакта колонны труб со стенкой скважины. Все это ведет к снижению силы страгивания бурильной колонны. A wide range of frequencies of action on the soil determines a wide range of processes in the soil: from the release of liquid on the surface of the pipe metal with the soil to the rough mechanical removal of the static friction forces, and as a result of intensive transverse shaking, the pressure drop from one or the other plane of contact of the pipes with the soil is significantly reduced and due to the influx of fluid into the contact zone of the crust, the voltage decreases along the contact area of the pipe string with the well wall. All this leads to a decrease in the force of movement of the drill string.

Claims

1. GENERATOR OF VIBRATIONS OF A BORING PIPE PIPE, comprising a hollow body connected to the pipe string, a shaft with an axial channel installed in the body, forming an annular cavity mounted on the shaft of the turbine, a partition wall with a channel coaxial with the shaft axial channel located above the turbine, and a seat under the relief valve, forming supply channels with the housing, communicating the cavity of the pipe string with the turbine and the shaft support with an axial channel and windows for communicating the space of the body under the shaft support with the annular cavity between the shaft and case, characterized in that on the inner surface of the shaft there are conical counter grooves, and in the place of their conjunction, seats are made for a relief valve with holes for hydraulic connection of the axial channel of the shaft with an annular cavity between the housing and the shaft, the relief valve is made with the possibility of passage through the saddle of the partition , its diameter is less than the diameter of the channel of the partition and the axial channel of the shaft, while the supply channels are made in the form of nozzles.

2. The oscillation generator according to claim 1, characterized in that it is equipped with a trap for a relief valve installed under the shaft support.