Способ и устройство для бурения скважин

(51) 21 7/00 (2012.01) 21 7/24 (2012.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Это достигается тем, что в известном способе бурения скважин, включающем разрушение забоя скважины породоразрушающим инструментом,подачу промывочной жидкости к забою через бурильные трубы и генерирование гидродинамической энергии к призабойной зоне,согласно изобретению,бурение скважины осуществляют при воздействии на забой ультразвуковой энергией. Это достигается тем, что в известном устройстве для бурения скважин, включающем верхний и нижний переходники с проходными отверстиями для промывочной жидкости и корпус с установленным внутри него вибратором, согласно изобретению, в корпусе дополнительно установлен отражатель, в центре которого выполнено отверстие для верхнего конца вибратора, и вибратор выполнен в виде резонатора, представляющего собой пластину с заостренным верхним концом с возможностью совершения колебательных движений, а нижний конец резонатора крепится к основанию, которое установлено в корпусе, при этом к верхнему переходнику присоединено сопло, расположенное над верхним концом резонатора, а в нижней части корпуса расположен нижний переходник с долотом.(72) Карманов Тогыс Досмурзаевич Сушко Сергей Михайлович Бегун Анатолий Данилович Саттаров Мажит Турсынбаевич(73) Товарищество с ограниченной ответственностью Институт высоких технологий Товарищество с ограниченной ответственностью Горнорудная компания(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН(57) Изобретение относится к способам и устройствам для бурения,а именно к ультразвуковым способам и устройствам. Техническим результатом является повышение эффективности процесса бурения и увеличение долговечности работы породоразрушаещего инструмента. Изобретение относится к способам и устройствам для бурения,а именно к ультразвуковым способам и устройствам. Известен магнитострикционный способ,состоящий в наложении на долото продольных колебаний, генерируемых системой стержней из ферромагнитной стали с частотой питающего переменного тока. Магнитостриктор встраивается в бурильную колонну непосредственно над долотом. Наиболее эффективен резонансный режим, когда вынужденные электромагнитные колебания совпадают с собственными колебаниями магнитостриктора, зависящими от его длины. При благоприятном сочетании условий механическая скорость бурения по твердым породам возрастает в 2-3 раза. Недостатком способа является необходимость прокладки кабеля в колонне бурильных труб,большое количество теплоты, выделяющейся при работе магнитостриктора, и малый ресурс последнего, что связано не только с частым перегревом, но и с разрушающим конструкцию действием колебаний.(А.Г.Калинин, Литвиненко, А.И. Радин. Основы бурения нефтяных и газовых скважин. Санкт-Петербург. 1996 г., с. 203-204) Известен также способ бурения скважин,включающий разрушение забоя скважины породоразрушающим инструментом,подачу промывочной жидкости к забою через бурильные трубы и генерирование гидроакустической энергии к призабойной зоне, согласно изобретению, бурение скважины осуществляют при одновременном воздействии на забой депрессией и гидроакустической энергией,причем гидроакустическую энергию генерируют в зоне депрессии.(А.с.1593327, кл. Е 21 В 10/18, 2000 г.) Недостатком способа является его невысокая эффективность. Известен скважинный гидроакустический генератор, содержащий корпус с каналом подвода рабочего агента, вихревую камеру с тангенциально направленными входными каналами и конически сужающимся выходным соплом,согласно изобретению, вихревая камера снабжена камерой предварительного закручивания потока с тангенциальными входными каналами и установлена над вихревой камерой, причем тангенциальные входные каналы камеры предварительного закручивания потока и вихревой камеры имеют одинаковое вращательное направление.(Патент 2186961, кл. Е 21 В 43/25, 2002 г.) Недостатком скважинного гидроакустического генератора является недостаточно мощное воздействие на призабойную зону пласта. Известен также гидроударник для генерации поперечных ударных импульсов, включающий верхний и нижний переходники с проходными отверстиями для промывочной жидкости и корпус с установленным внутри него бойком, согласно изобретению, гидроударник снабжен перекидным 2 клапаном и распределителем потока,установленным с возможностью периодического перекрытия проходных отверстий одного из переходников и пружиной, установленной на одной вертикальной оси с бойком и клапаном для взаимодействия с ними.(А.с.815257, кл. Е 21 В 4/14, 1981 г.) Недостатком гидроударника для генерации поперечных ударных импульсов является недостаточно мощное воздействие на призабойную зону пласта. Частотный диапазон гидроударника не более 40 Гц. Задачей изобретения является создание способа и устройства для бурения скважин, оказывающих более мощное воздействие на призабойную зону пласта. Техническим результатом является повышение эффективности процесса бурения и увеличение долговечности работы породоразрушаещего инструмента. Это достигается тем, что в известном способе бурения скважин, включающем разрушение забоя скважины породоразрушающим инструментом,подачу промывочной жидкости к забою через бурильные трубы и генерирование гидроакустической энергии к призабойной зоне,согласно изобретению,бурение скважины осуществляют при воздействии на забой ульразвуковой энергией. Это достигается тем, что в известном устройстве для бурения скважин, включающем верхний и нижний переходники с проходными отверстиями для промывочной жидкости и корпус с установленным внутри него резонатором, согласно изобретению, в корпусе дополнительно установлен отражатель, в центре которого выполнено отверстие для верхнего конца резонатора, представляющего собой пластину с заостренным верхним концом с возможностью совершения колебательных движений, а нижний конец резонатора крепится к основанию, которое установлено в корпусе, при этом к верхнему переходнику присоединено сопло,расположенное над верхним концом резонатора, а в нижней части корпуса расположен нижний переходник с долотом. Технический результат достигается за счет воздействия на забой ультразвуковой энергией,генерируемой устройством для бурения скважин. Способ осуществляется следующим образом. Устройство для бурения скважин генерирует ультразвук. При этом в ультразвуковом поле возникает кавитация в промывочной жидкости образуются огромное количество пульсирующих пузырьков, заполненных паром, воздухом и их смесью. Сложное движение пузырьков, их захлопывание, порождают в промывочной жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывает локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество происходит разрушение находящихся в промывочной жидкости твердых тел(кавитационная эрозия). При использовании ультразвуковой энергии для разрушения твердых частиц частотный диапазон ультразвука колеблется в пределах 104-108 Гц. Ультразвуковое диспергирование твердых тел происходит под действием микроударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков. В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки,которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления,порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости,интенсивное излучение акустических волн и вызывая разрушение поверхностей твердых тел,граничащих с кавитирующей жидкостью. На фиг.1 показано устройство для бурения скважин, на фиг. 2-устройство для бурения скважин,повернутое на 90. Устройство для бурения скважин состоит из корпуса 3, в верхней части которого имеется верхний переходник 1 с проходными отверстиями для промывочной жидкости. В корпусе 3 установлены резонатор 4 и отражатель 5. Резонатор 4, представляет собой пластину с заостренным верхним концом с возможностью совершения колебательных движений. Нижний конец резонатора 4 крепится к основанию 6, которое установлено в корпусе 3. А верхний конец резонатора 4 проходит через отверстие,выполненное в центре отражателя 5. К верхнему переходнику 1 присоединено сопло 7,расположенное над верхним концом резонатора 4. В нижней части корпуса расположены нижний переходник 2 с проходными отверстиями для промывочной жидкости и долото 8. Устройство для бурения скважин работает следующим образом. Промывочная жидкость, подаваемая по колонне бурильных труб через верхний переходник 1,поступает в сопло 7, откуда с предельно большой скоростью струей бьет по заостренному верхнему концу резонатора 4. Резонатор 4 начинает совершать колебательные движения, генерируя при этом ультразвук. Отражатель 5 обеспечивает устойчивую работу резонатора 4 и служит дополнительным передатчиком высокочастотной вибрации к торцу долота 8. Основным передатчиком высокочастотной вибрации является основание 6 через корпус 3 и нижний переходник 2 к долоту 8. Ультразвуковая энергия к забою передается через жидкую среду в виде высокочастотных волн. Частоту колебаний резонатораопределяют по формуле- длина консоли резонатора, см (см. фиг.2). Ниже приводятся другие составляющие формулы (2). Зависимость между силой и прогибом определяют по формуле-осевой момент инерции пластины, см 4. Потенциальную энергию при прогибе консольной пластины рассчитывают по формуле При у 0,3 см рассчитываем мощность резонатора, развиваемой для трех длин консоли, 8 см, 9 см, 10 см см/сек 10797 вт,Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет проводить бурение скважин с большой эффективностью,оказывая воздействие на кристаллическую решетку горных пород. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ бурения скважин, включающий разрушение забоя скважины породоразрушающим инструментом, подачу промывочной жидкости к забою через бурильные трубы и генерирование гидроакустической энергии к призабойной зоне,отличающийся тем, что бурение скважины осуществляют при воздействии на забой ультразвуковой энергией. 2. Устройство для бурения скважин,включающее верхний и нижний переходники с проходными отверстиями для промывочной жидкости и корпус с установленным внутри него резонатором, отличающееся тем, что в корпусе дополнительно установлен отражатель, в центре 3 которого выполнено отверстие для верхнего конца резонатора, представляющего собой пластину с заостренным верхним концом с возможностью совершения колебательных движений, а нижний конец резонатора крепится к основанию, которое установлено в корпусе, при этом к верхнему переходнику присоединено сопло, расположенное над верхним концом резонатора, а в нижней части корпуса расположен нижний переходник с долотом.