RU2200801C1

RU2200801C1 - Gear for directional drilling of holes

Info

Publication number: RU2200801C1
Application number: RU2001118670/03A
Authority: RU
Inventors: А.А. Липин
Original assignee: Институт горного дела научно-исследовательское учреждение СО РАН
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-03-20

Abstract

FIELD: drilling of slant and horizontal holes with use of percussion machines. SUBSTANCE: given gear can find application in ditchless technologies for laying of service lines in complex geological structures. Gear includes body, striker with head and rod possessing eccentric protrusion on striking butt and rock-breaking tool placed uniaxially in body. Bushing with unbalanced mass joined to striker movably in axial direction is put uniaxially with striker on its rod. Invention ensures increased operational reliability thanks to equal strength cross-section of striker and enhanced unbalanced mass moment on striker owing to maximum possible displacement of center of gravity in pair " striker- bushing with unbalanced mass ". EFFECT: increased operational reliability of gear. 5 dwg

Description

Изобретение относится к направленному бурению наклонных и горизонтальных скважин с использованием забойных ударных машин и может найти применение при бестраншейных технологиях прокладки коммуникаций в сложных геологических структурах. The invention relates to directional drilling of deviated and horizontal wells using downhole impact machines and can find application in trenchless technologies for laying communications in complex geological structures.

Известно устройство ударного действия для образования скважин в грунте по а.с. СССР 524890, кл. E 02 F 5/18, Е 21 В 7/06, опубл. в БИ 30, 1976 г., включающее цилиндрический корпус, в котором размещены ударник, выполненный с возможностью нанесения внецентренного удара, и воздухораспределительный патрубок. При этом центр тяжести ударника смещен относительно продольной оси устройства, а ударник имеет возможность поворота относительно корпуса при помощи воздухораспределительного патрубка. A device for shock action for the formation of wells in the soil by and.with. USSR 524890, class E 02 F 5/18, E 21 V 7/06, publ. in BI 30, 1976, which includes a cylindrical body in which a drummer is arranged, which is capable of delivering an eccentric impact, and an air distribution pipe. In this case, the center of gravity of the striker is offset relative to the longitudinal axis of the device, and the striker has the ability to rotate relative to the housing using the air distribution pipe.

Это устройство работает эффективно только в уплотняемых грунтах, так как уплотняющий наконечник и корпус его не вращаются. В валунно-галечниковых отложениях и скальных породах устройство не работает. This device works effectively only in compacted soils, since the sealing tip and its body do not rotate. In boulder-pebble deposits and rocks, the device does not work.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является устройство для направленного бурения ударно-вращательным способом по патенту РФ 2039185, кл. Е 21 В 7/00, 7/06, опубл. в БИ 19, 1995 г., которое содержит корпус, ударник, выполненный с центром тяжести, смещенным относительно продольной оси устройства, и размещенный в корпусе соосно с ним с возможностью свободного перемещения, и породоразрушающий инструмент. При этом на нижнем торце ударника соосно с ним установлена пята с возможностью установочного поворота относительно оси ударника, а на нижнем торце пяты эксцентрично расположен выступ. The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed device is a device for directional drilling by shock-rotational method according to the patent of the Russian Federation 2039185, class. E 21 B 7/00, 7/06, publ. in BI 19, 1995, which contains a body, a hammer made with a center of gravity offset from the longitudinal axis of the device, and placed in the body coaxially with it with the possibility of free movement, and a rock cutting tool. At the same time, a heel is installed coaxially with the heel on the lower end of the striker with the possibility of installation rotation about the axis of the striker, and a protrusion is eccentrically located on the lower end of the heel.

Это устройство эффективно работает в широком диапазоне геологических характеристик пород, так как имеет внешнее вращение корпуса и породоразрушающего инструмента. Однако существенным недостатком его является низкая надежность из-за ослабленного поперечного сечения ударника и малый дебалансный момент из-за малого эксцентриситета смещения центра тяжести ударника. This device works effectively in a wide range of geological characteristics of the rocks, as it has an external rotation of the body and rock cutting tool. However, its significant disadvantage is its low reliability due to the weakened cross section of the striker and a small unbalanced moment due to the small eccentricity of the displacement of the center of gravity of the striker.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом устройстве, заключается в повышении эксплуатационной надежности за счет равнопрочного поперечного сечения ударника. Дополнительным положительным эффектом в предлагаемом устройстве является увеличенный дебалансный момент на ударнике за счет максимально возможного эксцентриситета центра тяжести пары: ударник - дебалансная втулка. The technical problem solved in the proposed device is to increase operational reliability due to the equal strength cross section of the striker. An additional positive effect in the proposed device is the increased unbalanced moment on the drummer due to the maximum possible eccentricity of the center of gravity of the pair: drummer - unbalanced sleeve.

Поставленная задача решается посредством того, что в предлагаемом устройстве для направленного бурения скважин, включающем корпус, ударник с головкой и штоком, имеющим эксцентричный выступ на ударном торце, и породоразрушающий инструмент, соосно размещенные в корпусе, согласно предлагаемому решению соосно с ударником на его штоке установлена дебалансная втулка, соединенная с ударником подвижно в осевом направлении. Ввиду того что в предлагаемом устройстве ударник более прочный, так как имеет равнопрочное, не ослабленное поперечное сечение, благодаря установке на его шток дебалансной втулки, не нагруженной ударными импульсами, то эксплуатационная надежность устройства выше по сравнению с прототипом. Кроме того, точность заданного направления бурения предлагаемым устройством тоже выше, так как дебалансный момент, обеспечивающий заданную зону нанесения ударов по породоразрушающему инструменту, больше, чем дебалансный момент у прототипа вследствие максимального эксцентриситета центра тяжести пары: ударник - дебалансная втулка. The problem is solved by the fact that in the proposed device for directional drilling of wells, including a housing, a hammer with a head and a rod having an eccentric protrusion on the shock end, and rock cutting tools coaxially placed in the housing, according to the proposed solution coaxially with the hammer on its rod is installed unbalanced bushing connected to the drummer movably in the axial direction. Due to the fact that in the proposed device, the drummer is more durable, since it has an equally strong, not weakened cross section, due to the installation of an unbalanced bush on its rod, not loaded with shock pulses, the operational reliability of the device is higher compared to the prototype. In addition, the accuracy of the given direction of drilling by the proposed device is also higher, since the unbalanced moment that provides the specified area for striking the rock cutting tool is greater than the unbalanced moment of the prototype due to the maximum eccentricity of the center of gravity of the pair: drummer - unbalanced bushing.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами, где на фиг. 1 и 2 показан продольный разрез устройства для направленного бурения скважин, общий вид, в плоскости, проходящей через ось устройства, контактную точку ударника с породоразрушающим инструментом и центр тяжести дебалансной втулки, в том числе на фиг. 2 взаимодействие породоразрушающего инструмента с породой при внецентренном ударе по нему ударником. Направление стрелок показывает на доминирующие зоны разрушения забоя скважины, определяющие направление искривления скважины. Фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1. Фиг. 4 - схема, поясняющая направление В искривления скважины при доминантном векторе С зоны D нанесения внецентренных ударов по породоразрушающему инструменту. Фиг.5 - схема направленного бурения скважин предлагаемым устройством. The essence of the technical solution is illustrated by an example of a specific design and drawings, where in FIG. 1 and 2 show a longitudinal section of a device for directional drilling of wells, a general view, in a plane passing through the axis of the device, the contact point of the hammer with the rock cutting tool and the center of gravity of the unbalanced sleeve, including in FIG. 2 interaction of a rock cutting tool with a rock with an eccentric impact on it by a striker. The direction of the arrows indicates the dominant zones of destruction of the bottom of the well, which determine the direction of curvature of the well. FIG. 3 is a section AA in FIG. 1. FIG. 4 is a diagram explaining the direction B of the well curvature with a dominant vector C of zone D of applying eccentric impacts on the rock cutting tool. Figure 5 - diagram of directional drilling of the proposed device.

Устройство для направленного бурения скважин состоит из корпуса 1 (фиг. 1) с гильзой 2, имеющей пазы 3, отверстия 4, расточки 5 и 6, переходника 7 с каналами 8, штока 9 с каналами 10 и 11, клапана 12, установленного на штоке 9, ударника 13, имеющего головку 14, разделяющую полость гильзы 2 на камеру 15 прямого хода и камеру 16 обратного хода, шток 17 с эксцентричным выступом 18 на ударном торце и шлицевыми пазами 19, центральный канал 20, дебалансной втулки 21, установленной соосно на штоке 17 ударника 13 и соединенной с ним с возможностью переустановки подвижно в осевом направлении посредством выступов 22, буксы 23 с размещенным в ней соосно и подвижно по оси породоразрушающим инструментом 24 с каналами 25 и 26 (фиг. 2). A device for directional drilling of wells consists of a housing 1 (Fig. 1) with a sleeve 2 having grooves 3, holes 4, bores 5 and 6, an adapter 7 with channels 8, a rod 9 with channels 10 and 11, a valve 12 mounted on the stem 9, a hammer 13 having a head 14 separating the liner cavity 2 into a forward stroke chamber 15 and a reverse motion chamber 16, a rod 17 with an eccentric protrusion 18 at the shock end and spline grooves 19, a central channel 20, an unbalanced sleeve 21 mounted coaxially on the rod 17 drummer 13 and connected with it with the possibility of reinstallation movably in axial m direction through the protrusions 22, axle boxes 23 with the rock-cutting tool 24 coaxially and axially movable along the axis with channels 25 and 26 (Fig. 2).

Устройство работает следующим образом. Энергоноситель в виде сжатого воздуха, газожидкостной смеси или жидкости, подводимый к предлагаемому устройству (фиг. 1, левая половина) по ставу бурильных труб (фиг.5) поступает в переходник 7 и далее по каналам 8, пазам 3, отверстиям 4 в камеру 16. Ударник 13 совершает обратный ход в сторону переходника 7, так как камера 15 прямого хода ударника 13 в это время соединена с забойным пространством через канал 20 ударника 13 и каналы 25, 26 породоразрушающего инструмента 24. После перекрытия канала 20 ударника 13 штоком 9 (фиг. 1) камера 15 прямого хода остается соединенной с забойным пространством через каналы 10, 11 штока 9, канал 20 ударника 13 и каналы 25, 26 породоразрушающего инструмента 24. Далее, по мере продвижения, ударник 13 своей головкой 14 входит в зону расточки 6 гильзы 2. Энергоноситель через образовавшийся зазор поступает из камеры 16 обратного хода в камеру 15 прямого хода. Под действием давления энергоносителя со стороны камеры 15 на клапан 12 происходит перекидка его в верхнее положение (фиг. 1, правая половина). Давление в камере 15 нарастает до магистрального значения, ударник 13 затормаживается до остановки и меняет направление движения в сторону породоразрушающего инструмента 24. На всем пути прямого хода ударника 13, до момента схода его со штока 9, клапан 12 остается открытым, обеспечивая питание камеры 15 энергоносителем. Ударник 13 набирает скорость и цикл завершается ударом по породоразрушающему инструменту 24 выступом 18 в зоне D, определяемой взаимным расположением дебалансной втулки 21 (центра тяжести) шлицевого соединения ее со штоком 17 ударника 13 и выступа 18 на его штоке 17. The device operates as follows. The energy carrier in the form of compressed air, gas-liquid mixture or liquid supplied to the proposed device (Fig. 1, the left half) through the drill pipe set (Fig. 5) enters the adapter 7 and then through the channels 8, grooves 3, openings 4 into the chamber 16 The drummer 13 makes a return stroke towards the adapter 7, since the forward chamber 15 of the hammer 13 at this time is connected to the bottomhole space through the channel 20 of the hammer 13 and the channels 25, 26 of the rock cutting tool 24. After the channel 20 of the hammer 13 is blocked by the rod 9 (FIG. . 1) the forward camera 15 remains soy mined with bottomhole space through channels 10, 11 of rod 9, channel 20 of hammer 13 and channels 25, 26 of rock cutting tool 24. Then, as it moves forward, hammer 13 with its head 14 enters the zone of the bore 6 of sleeve 2. The energy source comes from the gap cameras 16 backward to the camera 15 forward. Under the influence of the pressure of the energy carrier from the side of the chamber 15 to the valve 12, it is thrown to the upper position (Fig. 1, the right half). The pressure in the chamber 15 rises to the main value, the hammer 13 is braked to a stop and changes the direction of movement towards the rock cutting tool 24. Throughout the direct path of the hammer 13, until it leaves the stem 9, the valve 12 remains open, providing power to the chamber 15 . The drummer 13 picks up speed and the cycle ends with an impact on the rock cutting tool 24 with a protrusion 18 in zone D, determined by the relative position of the unbalanced sleeve 21 (center of gravity) of its spline connection with the rod 17 of the hammer 13 and the protrusion 18 on its rod 17.

В результате внецентренного удара по породоразрушающему инструменту 24 (фиг. 1, 2, 4) последний испытывает опрокидывающий момент в плоскости, проходящей через продольную ось инструмента 24 и доминантный вектор С зоны D нанесения ударов. Происходит неравномерное разрушение поверхности забоя и прилегающей поверхности стенки скважины, в результате чего ось скважины искривляется в сторону, противоположную зоне нанесения ударов по породоразрушающему инструменту 24. As a result of an eccentric impact on the rock cutting tool 24 (Figs. 1, 2, 4), the latter experiences a tilting moment in a plane passing through the longitudinal axis of the tool 24 and the dominant vector C of the impact zone D. Uneven destruction of the bottom surface and the adjacent surface of the borehole wall occurs, as a result of which the borehole axis bends in the direction opposite to the zone of impacting the rock cutting tool 24.

При необходимости корректировки трассы скважины устройство извлекают из нее и переустанавливают дебалансную втулку 21 (фиг. 3) в шлицевом соединении ее с ударником 13 относительно его штока 17 и выступа 18 в требуемую сторону с учетом числа оборотов става штанг, вида энергоносителя и момента трения ударника 13 о корпус 1 устройства. При проходке горизонтального участка скважины предлагаемое устройство заменяют на обычную забойную ударную машину или в предлагаемом устройстве заменяют ударник 13 на ударник из числа ЗИП, не имеющий выступа 18 на ударном торце. If it is necessary to correct the well path, the device is removed from it and the unbalanced sleeve 21 is reinstalled (Fig. 3) in a spline connection with the hammer 13 relative to its rod 17 and the protrusion 18 in the required direction, taking into account the number of turns of the rod set, type of energy carrier and the moment of friction of the hammer 13 about the housing 1 of the device. When driving a horizontal section of the well, the proposed device is replaced with a conventional downhole impact machine, or in the proposed device, the hammer 13 is replaced by a hammer from the spare parts without a protrusion 18 on the shock face.

Ввиду того что в предлагаемом устройстве для направленного бурения скважин зона D нанесения внецентренных ударов по породоразрушающему инструменту 24 определяется дебалансной втулкой 21 с максимально возможным вращающим моментом, а шток 17 ударника 13 выполнен равнопрочным в поперечном сечении и монолитным с выступом 18, устройство более надежно в эксплуатации и эффективно в работе. Due to the fact that in the proposed device for directed drilling of wells, the zone D of applying off-center impacts on the rock cutting tool 24 is determined by the unbalanced sleeve 21 with the maximum possible torque, and the rod 17 of the hammer 13 is made equally strong in cross section and monolithic with the protrusion 18, the device is more reliable in operation and effective in work.

Claims

A device for directional drilling of wells, including a housing, a hammer with a head and a rod having an eccentric protrusion on the shock end, and a rock cutting tool coaxially placed in the housing, characterized in that an unbalanced sleeve mounted coaxially with the hammer on the rod is movably connected to the hammer axial direction.