PL225016B1 - Głowica wiertnicza do wiercenia płynem z przesuwnym pierścieniem kalibrującym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy głowicy wiertniczej do wiercenia płynem z przesuwnym pierścieniem kalibrującym, przewidzianej w szczególności, ale nie wyłącznie, do zastosowania w urządzeniu do wiercenia płynem typu opisanego w naszym międzynarodowym zgłoszeniu patentowym PCT/AU02/01550, według międzynarodowej publikacji WO 03/042491 A1 (PL 199 155), której treść włączono do niniejszego na zasadzie odniesienia.

Opis patentowy PL 199 155 (WO 03/042491 A1) dotyczy głowicy wiertniczej do wiercenia płynem do wiercenia odwiertu w skale, mającej obrotowy dyszowy zespół zawierający wiele dysz rozmieszczonych w taki sposób, aby tworzyć strumienie płynu, gdy zasila się je płynem pod ciśnieniem. Strumienie płynu zawierają jeden albo większą liczbę strumieni pilotujących skierowanych w ogólnym kierunku ruchu głowicy wiertniczej oraz jeden albo większą liczbę strumieni rozwiercających skierowanych ogólnie promieniowo, przystosowanych do powiększania początkowego otworu utworzonego przez strumienie pilotujące. W urządzeniu do wiercenia płynem typu opisanego w PL 199 155 (WO 03/042491 A1) jest znane stosowanie pierścienia kalibrującego o tak dobranych wymiarach, że zewnętrzna średnica pierścienia jest bliska żądanej średnicy otworu do wywiercenia, w celu kontrolowania ruchu głowicy do wiercenia płynem do przodu przez skałę. W przykładzie podanym w tym dokumencie PCT, pierścień kalibrujący jest oddalony od obrotowego dyszowego zespołu głowicy wiertniczej, toteż odłamki cięcia skały albo rozerwania oderwane w wyniku oddziaływania strumieni płynu w obrotowej głowicy wiertniczej mogą przechodzić pomiędzy pierścieniem kalibrującym i korpusem głowicy wiertniczej, aby były wypłukiwane do tyłu przez powracającą płuczkę wiertniczą ze strumieni pilotujących i strumieni rozwiercających.

Stwierdzono, iż ważne jest, aby utrzymywać prędkość płuczki wiertniczej płynącej z powrotem przez odwiert, aby uniknąć powstawania albo narastania złogów zwiercin w odwiercie, co znacznie zwiększa tarcie pomiędzy wężem a ściankami bocznego odwiertu.

W porównaniu do znanych systemów wiertniczych, siły odporu występujące przy wierceniu strumieniem płynu są bardzo małe. Głowica wiertnicza jest zwykle wprawiana w ruch do przodu przez skierowane do tyłu strumienie płuczki wiertniczej z głowicy wiertniczej ze stosunkowo małą siłą naporu. Systemy oparte na wężach wykluczają stosowanie znacznego „nacisku, który w innych przypadkach można by zapewnić przy użyciu nawijanych przewodów rurowych stosowanych w innych postaciach głowicy wiertniczej, ponieważ wszelki nacisk tego rodzaju po prostu spiralnie wykrzywia wąż w odwiercie, stwarzając dodatkowe tarcie i opór przy ruchu głowicy wiertniczej do przodu.

Wykazano, że tarcie pomiędzy wężem i bocznym odwiertem wzrasta wielokrotnie, kiedy wąż jest częściowo zanurzony w zwiercinach wypłukiwanych do tyłu odwiertu z głowicy wiertniczej. Jest najbardziej pożądane, aby wąż znajdował się w czystym odwiercie, jako ze duże tarcie w otworze bardzo szybki niweczy napór do przodu i ogranicza długość, na jaką odwiert można wywiercić przy użyciu głowicy wiertniczej do wiercenia płynem.

Aby utrzymać prędkość płynu płynącego w bocznym odwiercie wystarczająco dużą celem porywania zwiercin i zapobiegania tworzeniu się albo narastaniu złogów zwiercin w bocznym otworze, prędkość płynu należy utrzymywać powyżej krytycznego poziomu, aby porywać odłamki albo zwierciny.

Stwierdzono, że głowice wiertnicze do wiercenia płynem, z pierścieniami kalibrującymi typu opisanego w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym PCT/AU02/01550, choć użyteczne pod względem zapobiegania zakleszczaniu się w otworze w wyniku nadmiernie szybkiego ruchu do przodu, mogą powodować spowalnianie postępowego ruchu wiertła do przodu albo utknięcie, podczas gdy strumienie pilotujące wycinają sobie drogę przez skupiska twardej skały albo mają do czynienia z innymi przeszkodami. W tej sytuacji, strumienie rozwiercające nadal powiększają średnicę odwiertu i szybko wycinają otwór o średnicy większej niż średnica pierścienia kalibrującego. Ten otwór o większej średnicy powoduje zmniejszanie powrotnej prędkości płuczki wiertniczej, co z kolei prowadzi do narastania złogów zwiercin u podstawy bocznego odwiertu i zwiększonego oporu tarcia na wężu. Gdy tylko opór tarcia na wężu wzrośnie ponad poziom podstawowy, narzędzie nie będzie przemieszczać się z optymalną prędkością w każdych okolicznościach i będzie wiercić większy odwiert. Zwykle wiąże się to z poważnymi zmianami kierunku odwiertu, zarówno w poziomie jak i w pionie i wynikowym zakończeniem bocznego odwiertu.

Niniejszy wynalazek dotyczy więc głowicy wiertniczej do wiercenia płynem, do wiercenia odwiertu przez skałę, przy czym ta głowica wiertnicza do wiercenia płynem ma obrotowy dyszowy zespół mający wiele dysz rozmieszczonych w taki sposób, aby wytwarzać strumienie płynu, kiedy zasila się je

PL 225 016 B1 płynem pod ciśnieniem, które to strumienie płynu zawierają jeden albo większą liczbę strumieni pilotujących skierowanych w ogólnym kierunku ruchu głowicy wiertniczej oraz jeden albo większą liczbę strumieni rozwiercających skierowanych ogólnie promieniowo i rozmieszczonych w taki sposób, aby powiększać początkowy otwór ukształtowany przez strumienie pilotujące, oraz pierścień kalibrujący usytuowany za głowicą tnącą, mający wymiary dobrane do zamierzonej średnicy odwiertu, charakteryzującej się tym, że wspomniany pierścień kalibrujący jest przystosowany do przesuwania się osiowo względem obrotowej głowicy tnącej pomiędzy położeniem tylnym, w którym jeden albo każdy strumień rozwiercający jest odsłonięty, a położeniem przednim, w którym niektóre albo wszystkie strumienie rozwiercające są zasłonięte przez pierścień kalibrujący.

Korzystnie, przewidziano środki dociskowe w celu dociskania pierścienia kalibrującego do położenia przedniego.

Korzystnie, środki dociskowe stanowi sprężyna.

Alternatywnie, środki dociskowe stanowi siła hydrauliczna wytwarzana przy doprowadzaniu płuczki wiertniczej pod ciśnieniem, działająca na skierowane do tyłu powierzchnie na pierścieniu kalibrującym.

W niektórych postaciach wynalazku, środki dociskowe może stanowić kombinacja sprężyny i siły hydraulicznej wytwarzanej przy doprowadzaniu płuczki wiertniczej pod ciśnieniem, działająca na skierowane do tyłu powierzchnie na pierścieniu kalibrującym.

Korzystnie pierścień kalibrujący jest podzielony na segmenty wokół swego obwodu w taki sposób, że każdy segment może przesuwać się osiowo niezależnie od sąsiednich segmentów.

Korzystnie jeden albo większa liczba strumieni rozwiercających jest skierowany/skierowana skośnie do tyłu.

Pomimo dowolnych innych postaci, które mogą wchodzić w jego zakres, jedna korzystna postać wynalazku zostanie obecnie opisana jedynie w charakterze przykładu, w odniesieniu do załączonych rysunków, na których:

Figura 1 przedstawia w ogólnym widoku perspektywicznym głowicę wiertniczą do wiercenia pł ynem według wynalazku;

Figura 2 przedstawia widok boczny głowicy wiertniczej do wiercenia płynem pokazaną na figurze 1, z pierścieniem kalibrującym w położeniu pośrednim, blokującym skrajny tylny strumień rozwiercający;

Figura 3 przedstawia w przekroju poprzecznym głowicę wiertniczą do wiercenia płynem pokazaną na fig. 1, z pierścieniem kalibrującym pokazanym w położeniu przednim celem zasłaniania wszystkich strumieni rozwiercających;

Figura 4 przedstawia widok podobny do fig. 3 ukazując pierścień kalibrujący w położeniu tylnym, z odsłoniętymi wszystkimi strumieniami rozwiercającymi.

W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku, głowica wiertnicza 1 do wiercenia płynem jest utworzona z obrotowego dyszowego zespołu 2 mającego dysze 3 i 4, z których wytryskują strumienie pilotujące płuczki wiertniczej pod wysokim ciśnieniem (typowo wody), odpowiednio 5 i 6.

Obrotowy dyszowy zespół ma także dysze rozwiercające 7, 8 i 9, z których wtryskują wodne strumienie rozwiercające, odpowiednio 10, 11 i 12.

Trajektorię strumieni płynu pokazano na załączonych rysunkach w sposób idealny, jako smukłe pręty wychodzące z każdej dyszy, a ponadto pręty te pokazano jako przechodzące przez pierścień kalibrujący (który będzie opisany w dalszym ciągu) celem bardziej przejrzystego ukazania ich kier unku, choć w praktyce mogą one być zasłonięte albo zablokowane przez pierścień kalibrujący.

Głowica wiertnicza do wiercenia płynem ma pierścień kalibrujący 13 mający całkowitą średnicę nieco mniejszą niż zamierzona średnica odwiertu do wykonania, i pierścień kalibrujący jest zamontowany na głowicy wiertniczej do wiercenia płynem w taki sposób, aby był przystosowany do przesuwania się osiowo względem obrotowego dyszowego zespołu 2 pomiędzy położeniem tylnym, jak pokazano na fig. 4, w którym wszystkie strumienie rozwiercające 10, 11 i 12 są odsłonięte, oraz położeniem przednim, jak pokazano na fig. 3, w którym strumienie rozwiercające są zasłonięte albo zakryte przez pierścień kalibrujący, aby nie działały poza punktem blokowania przez pierścień kalibrujący. Strumień rozwiercający może rozciągać się promieniowo z głowicy wiertniczej do wiercenia płynem, ale korzystnie strumienie te są skierowane ukośnie do tyłu, jak pokazano na rysunkach.

Pierścień kalibrujący jest przystosowany do przyjęcia strumienia płuczki wiertniczej i zwiercin pochodzących z działania różnych strumieni, przez pierścieniowy otwór 14 pomiędzy pierścieniem i korpusem głowicy tnącej i umożliwia tym zwiercinom przejście do tyłu przez otwory 15 w krawędzi

PL 225 016 B1 spływu pierścienia kalibrującego, gdzie mogą one przechodzić wzdłuż korpusu głowicy wiertniczej do wiercenia płynem kanałami 16 w korpusie 17 głowicy wiertniczej.

Przesuwny pierścień kalibrujący jest dociskany do przedniego położenia, jak pokazano na fig. 3, za pomocą środków dociskowych, które mogą być albo sprężyną 18 opierającą się o skierowany do tyłu stopień 19 pierścienia kalibrującego, jak można zobaczyć na fig. 3, bądź alternatywnie ciśnieniem płynu wytwarzanym przez płuczkę wiertniczą pod wysokim ciśnieniem doprowadzaną przez wąż głowicy wiertniczej do komory 20, która opiera się o stopień 19, jak pokazano na fig. 4.

W użyciu, gdy głowica wiertnicza do wiercenia płynem porusza się do przodu w odwiercie, pierścień kalibrujący 13 będzie faktycznie stykać się z końcem otworu, gdzie strumienie pilotujące 5 i 6 wycięły dopiero otwór o stosunkowo małej średnicy. W tym momencie, pierścień kalibrujący nie będzie w stanie przemieszczać się do przodu ze względu na otaczającą skałę, ale pozostała część narzędzia będzie mogła swobodnie kontynuować ruch do przodu pod działaniem albo sprężyny 18, bądź komory hydraulicznej 20. Konfigurację środków dociskowych można starannie dobrać, aby umożliwić uzysk anie żądanej prędkości ruchu do przodu narzędzia względem pierścienia kalibrującego.

Gdy narzędzie porusza się do przodu względem pierścienia kalibrującego, osiąga położenie pokazane na fig. 4, w którym wszystkie strumienie rozwiercające 10, 11 i 12 są odsłonięte, umożliwiając strumieniom rozwiercającym powiększanie odwiertu, dopóki średnica odwiertu nie przewyższy średnicy pierścienia kalibrującego. Wówczas pierścień kalibrujący zaczyna poruszać się do przodu pod naciskiem sprężyny 18 albo komory hydraulicznej 20, przez położenie pokazane na fig. 2, w którym skrajny strumień rozwiercający 12 jest zakryty albo zasłonięty przez pierścień kalibrujący, a w razie potrzeby do skrajnego położenia pokazanego na fig. 3, w którym pierścień kalibrujący jest w skrajnym przednim położeniu, zaś wszystkie strumienie rozwiercające 10, 11 i 12 są zakryte albo zasłonięte.

Po osiągnięciu położenia pokazanego na fig. 3, działanie strumieni pilotujących 5 i 6 staje się znów dominujące, umożliwiając obrotowej głowicy wiertniczej przemieszczanie się do przodu, powodując ponownie zablokowanie pierścienia kalibrującego przez mniejszą średnicę odwiertu i jego ruch do tyłu.

W średnich warunkach wiercenia, pierścień kalibrujący będzie prawdopodobnie pozostawać w zrównoważonej sytuacji, jak pokazano na fig. 2, lecz w łatwych warunkach wiercenia, pierścień kalibrujący będzie zwykle poruszać się całkowicie do przodu do położenia pokazanego na fig. 3, umożliwiając strumieniom pilotującym 5 i 6 dalsze wydłużanie otworu bez oddziaływania strumieni rozwiercających powodujących nadmierne powiększenie średnicy otworu, a tym samym zmniejszenie natężenia przepływu wody powrotnej porywającej strumienie tnące.

Zakłada się, że przesuwny pierścień kalibrujący będzie prawidłowo pracować w warunkach jednorodnej skały, lecz w niejednorodnych warstwach, jak np. gdy głowica tnąca biegnie wzdłuż granicy kamień/węgiel, pierścień kalibrujący będzie odpychany do tyłu przez twardszy materiał (kamień) i łatwiejsze do wiercenia warstwy (węgiel) będą wiercone albo rozwiercane na zbyt dużą średnicę. Zakłada się, że można opracowywać kolejne przykłady wykonania niniejszego wynalazku, w których pierścień kalibrujący jest podzielony na segmenty wokół swego obwodu w taki sposób, że każdy segment może działać niezależnie od sąsiednich segmentów, aby przezwyciężyć ten problem.

W ten sposób, zapewnia się głowicę wiertniczą do wiercenia płynem, która umożliwia wykonanie odwiertu o znacznie bardziej równomiernej średnicy niż było to możliwe do tej pory, przez skałę i węgiel albo inne warstwy o zmiennych gęstościach. Zastosowanie przesuwnego pierścienia kalibr ującego eliminuje potrzebę stosowania bardzo dużych natężeń przepływu płuczki wiertniczej i nadmiernie starannego doboru dysz, które to działania są obecnie jedynym sposobem, aby kontrolować średnicę odwiertu. Dzięki starannemu kontrolowaniu średnicy odwiertu, a tym samym utrzymywaniu dużego natężenia przepływu powrotnego płynu przez cały boczny odwiert, unika się narastania złogów zwiercin u podstawy bocznego odwiertu i zmniejsza się opór tarcia na wężu. Umożliwia to wykonywanie odwiertów o znacznie większej długości niż było do dotychczas możliwe przy użyciu znanych głowic wiertniczych do wiercenia płynem.

Claims (7)

1. Głowica wiertnicza (1) do wiercenia płynem do wiercenia odwiertu w skale, wspomniana głowica wiertnicza do wiercenia płynem ma obrotowy dyszowy zespół (2) zawierający wiele dysz (3, 4, 7,

8, 9) rozmieszczonych w taki sposób, aby tworzyć strumienie płynu, gdy zasila się je płynem pod

PL 225 016 B1 ciśnieniem, wspomniane strumienie płynu zawierają jeden albo większą liczbę strumieni pilotujących (5, 6) skierowanych w ogólnym kierunku ruchu głowicy wiertniczej (1) oraz jeden albo większą liczbę strumieni rozwiercających (10, 11, 12) skierowanych ogólnie promieniowo, przystosowanych do powiększania początkowego otworu utworzonego przez strumienie pilotujące, oraz pierścień kalibrujący (13) usytuowany za głowicą tnącą, mający wymiary dobrane do zamierzonej średnicy odwiertu, znamienna tym, że wspomniany pierścień kalibrujący (13) jest przystosowany do przesuwania się osiowo względem obrotowej głowicy tnącej pomiędzy położeniem tylnym, w którym jeden albo każdy strumień rozwiercający (10, 11, 12) jest odsłonięty, a położeniem przednim, w którym niektóre albo wszystkie strumienie rozwiercające (10, 11, 12) są zasłonięte przez pierścień kalibrujący (13).

2. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 1, znamienna tym, że przewidziano środki dociskowe przystosowane do dociskania pierścienia kalibrującego (13) do przedniego położenia.

3. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 2, znamienna tym, że środki dociskowe stanowi sprężyna (18).

4. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 2, znamienna tym, że środki dociskowe stanowi siła hydrauliczna wytwarzana przy doprowadzaniu płuczki wiertniczej pod ciśnieniem, działająca na skierowane do tyłu powierzchnie na pierścieniu kalibrującym.

5. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 2, znamienna tym, że środki dociskowe stanowi kombinacja sprężyny (18) i siły hydraulicznej wytwarzanej przy doprowadzaniu płuczki wiertniczej pod ciśnieniem, działająca na skierowane do tyłu powierzchnie na pierścieniu kalibrującym (13).

6. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 1, znamienna tym, że pierścień kalibrujący (13) jest podzielony na segmenty wokół swego obwodu w taki sposób, że każdy segment może przesuwać się osiowo niezależnie od sąsiednich segmentów.

7. Głowica wiertnicza do wiercenia płynem według zastrz. 1, znamienna tym, że jeden albo większa liczba strumieni rozwiercających (10, 11, 12) jest skierowany/skierowana skośnie do tyłu.