Установка для проходки скважин

(51)21 7/18 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН(71) Заявитель Манкевич Эдуард Александрович(72) Автор Манкевич Эдуард Александрович(73) Патентообладатель Манкевич Эдуард Александрович(56) Беркович М.Я. Технология бурения нефтяных и газовых скважин. - М. Недра, 1969. - С. 210-211.1768758 1, 1992.927950, 1982.2060343 1, 1996.2081290 1, 1997.(57) Установка для проходки скважин, содержащая корпус с направляющим аппаратом и системой подачи жидкости с трубопроводами, рабочее колесо с валом и долото, отличающаяся тем, что корпус выполнен составным из верхнего и нижнего сферического или 7729 1 2006.02.28 цилиндрического элементов, соединенных клиновым разъемным кольцом, и диафрагмы между ними с направляющим трехъярусным аппаратом, которая образует с верхним элементом полость для рабочего колеса, а с нижнимкольцевую камеру для сбора воды или топлива, например горючего в смеси с окислителем, причем на верхнем элементе со стороны диафрагмы и заодно с ним выполнен кольцевой центрирующий шип с внутренним диаметром, равным наружному диаметру диафрагмы, а сверху на нем установлен герметичный колпак с воздухоподводящей трубкой, на котором закреплена водоподводящая или топливоподводящая неподвижная труба с обратным клапаном и фиксаторами, на верхнем элементе и диафрагме соосно установлены быстровращающиеся опоры, для сообщения верхней и нижней полостей корпуса с водой или топливом выполнен водопровод или топливопровод, проходящий через верхний элемент корпуса, направляющий трехъярусный аппарат и диафрагму рабочее колесо совмещено с источником подачи воды или топлива и выполнено в виде центробежных разъемных верхнего ведущего с полым валом и нижнего ведомого с глухим валом дисков, скрепленных на периферии предварительно напряженными многослойными обмотками из высокопрочного материала, например из кварцевых волокон, которые имеют со стороны валов ребра-лопатки с покрывными дисками с наклонными отверстиями, расположенными напротив водопровода или топливопровода для захвата и перемещения воды или топлива от центра к периферии, лопатки для перемещения воды или топлива к периферии на ведомом диске и такой же конфигурации выполненные зеркально лопаткам канавки на ведущем диске с противоположной стороны вала,которые входят в плавное зацепление с лопатками ведомого диска, причем валы рабочего колеса смонтированы в быстровращающихся опорах корпуса внутри полого вала установлен шнек-нагнетатель, связанный с электроприводом, а соединение полого вала с водоподводящей или топливоподводящей неподвижной трубой выполнено с помощью пневмогидравлического затвора, включающего камеру, закрепленную на водоподводящей или топливоподводящей неподвижной трубе, с крышкой, лабиринтно-винтовым уплотнением и стояночным уплотнением, а долото выполнено в виде наружного кольца с цилиндрической резьбовой верхней частью, гладкой конической нижней частью для образования с корпусом кольцевого наклонного щелевого сопла, основание которой выполнено сферическим вогнутым с концентрическими канавками, кольцевым пазом с вертикальными колодцами над ним, промежуточного кольца с ребрами в средней части для образования и фиксации кольцевого промежутка между ним и наружным кольцом, который снизу закрывается венцом, и сферическим основанием с концентрическими канавками, и центрального полого стержня с сопловой головкой, плотно прижатой к сферическому основанию промежуточного кольца и имеющей одно центральное и группу наклонных сопел, ребрами для образования и фиксации кольцевого промежутка между ним и промежуточным кольцом, а также пружиной, шайбой и гайкой, расположенными внутри промежуточного кольца, причем наружное кольцо имеет сплошное резьбовое соединение с корпусом и резьбовое соединение отдельными секторами с промежуточным кольцом для образования между ними промежутков для прохода воды или топлива. Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано преимущественно для бурения скважин, а также в других областях,например геологии, строительстве, соледобыче, добыче полезных ископаемых. Известна установка для бурения скважин, содержащая корпус с направляющим аппаратом и системой подачи жидкости с трубопроводами, рабочее колесо с валом и долото, в которой для вращения долота используется энергия потока промывочной жидкости, подаваемой буровыми насосами по бурильным трубам с поверхности на забой скважин. Установка располагается над долотом и является машиной, преобразующей гидравлическую энергию потока промывочной жидкости в механическую энергию, необходимую для вращения долота, движущим узлом которой является гидравлическая турбина 1. 2 7729 1 2006.02.28 Недостатками известной установки являются сложность, громоздкость и большой вес (10-70 т) обязательное наличие бурильных труб для подачи промывочной жидкости большие затраты времени на спуско-подъемные операции, занимающие 40 и более процентов общего времени бурения большая трудоемкость спуско-подъемных операций быстрый износ долот большая их стоимость большие затраты энергии. Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков. Решение поставленной задачи осуществляется за счет того, что корпус установки выполнен составным из верхнего и нижнего сферического или цилиндрического элементов,соединенных клиновым разъемным кольцом, и диафрагмы между ними с направляющим трехъярусным аппаратом, которая образует с верхним элементом полость для рабочего колеса, а с нижним - кольцевую камеру для сбора воды или топлива, например горючего в смеси с окислителем, причем на верхнем элементе со стороны диафрагмы и заодно с ним выполнен кольцевой центрирующий шип с внутренним диаметром, равным наружному диаметру диафрагмы, а сверху на нем установлен герметичный колпак с воздухоподводящей трубкой, на котором закреплена водоподводящая или топливоподводящая неподвижная труба с обратным клапаном и фиксаторами, на верхнем элементе и диафрагме соосно установлены быстровращающиеся опоры, для сообщения верхней и нижней полостей корпуса с водой или топливом выполнен водопровод или топливопровод, проходящий через верхний элемент корпуса, направляющий трехъярусный аппарат и диафрагму рабочее колесо совмещено с источником подачи воды или топлива и выполнено в виде центробежных разъемных верхнего ведущего с полым валом и нижнего ведомого с глухим валом дисков, скрепленных на периферии предварительно напряженными многослойными обмотками из высокопрочного материала, например из кварцевых волокон, которые имеют со стороны валов ребра-лопатки с покрывными дисками с наклонными отверстиями, расположенными напротив водопровода или топливопровода для захвата и перемещения воды или топлива от центра к периферии, лопатки для перемещения воды или топлива к периферии на ведомом диске и такой же конфигурации выполненные зеркально лопаткам канавки на ведущем диске с противоположной стороны вала, которые входят в плавное зацепление с лопатками ведомого диска, причем валы рабочего колеса смонтированы в быстровращающихся опорах корпуса внутри полого вала установлен шнек-нагнетатель,связанный с электроприводом, а соединение полого вала с водоподводящей или топливоподводящей неподвижной трубой выполнено с помощью пневмогидравлического затвора,включающего камеру, закрепленную на водоподводящей или топливоподводящей неподвижной трубе, с крышкой, лабиринтно-винтовым уплотнением и стояночным уплотнением,а долото выполнено в виде наружного кольца с цилиндрической резьбовой верхней частью,гладкой конической нижней частью для образования с корпусом кольцевого наклонного щелевого сопла, основание которой выполнено сферическим вогнутым с концентрическими канавками, кольцевым пазом с вертикальными колодцами над ним, промежуточного кольца с ребрами в средней части для образования и фиксации кольцевого промежутка между ним и наружным кольцом, который снизу закрывается венцом и сферическим основанием с концентрическими канавками, и центрального полого стержня с сопловой головкой, плотно прижатой к сферическому основанию промежуточного кольца и имеющей одно центральное и группу наклонных сопел, ребрами для образования и фиксации кольцевого промежутка между ним и промежуточным кольцом, а также пружиной, шайбой и гайкой, расположенными внутри промежуточного кольца, причем наружное кольцо имеет сплошное резьбовое соединение с корпусом и резьбовое соединение отдельными секторами с промежуточным кольцом для образования между ними промежутков для прохода воды или топлива. 3 7729 1 2006.02.28 На фиг. 1 изображена установка в продольном разрезе. На фиг. 2 дан поперечный разрез установки в плоскости разъема. На фиг. 3 показан поперечный разрез по высокооборотному электроприводу рабочего колеса. Установка имеет корпус 1, состоящий из верхнего 2 и нижнего 3 элементов, диафрагмы 4 между ними с направляющим трехъярусным аппаратом 5, которая образует с верхним элементом 2 полость 6 для рабочего колеса 7, а с нижним 3 - кольцевую камеру 8 для сбора воды или горючего, в смеси с окислителем, клинового разъемного кольца 9 для соединения верхнего 2 и нижнего 3 элементов, кольцевого центрирующего шипа 10, расчлененного направляющим трехъярусным аппаратом 5, для точного сопряжения диафрагмы 4 с верхним элементом 2, герметичного колпака 11 с воздухоподводящей трубкой 12 и обратным клапаном 13, на котором закреплена водоподводящая или топливоподводящая совмещенная (одна внутри другой) неподвижная труба 14 с обратным клапаном а внизу и сбоку и ее фиксаторы 15, быстровращающихся опор 16 для установки в них рабочего колеса 7, водопровода или топливопровода 17, проходящего через верхний элемент 2 корпуса 1,направляющий трехъярусный аппарат 5 и диафрагму 4 для подвода воды или топлива к верхней и нижней частям полости 6 корпуса 1 рабочее колесо 7, содержащее разъемные верхний ведущий 18 с полым валом 19 и нижний ведомый 20 с глухим валом 21 диски,скрепленные многослойными высокопрочными с предварительным напряжением обмотками 22, ребра-лопатки 23 на обоих дисках 18 и 20 со стороны валов 19 и 21 с покрывными дисками 29 с наклонными отверстиями 30 для захвата и перемещения жидкости, например воды или горючего, от центра к периферии, лопатки 24 на ведомом диске 20 для перемещения жидкости, например воды или окислителя, к периферии, и такой же кривизны канавки 25 на ведущем диске 18 для плавного соединения обоих дисков 18 и 20, шнек 26,установленный внутри полого вала 19 для быстрого закручивания жидкости и создания предварительного напора, высокооборотный, например, электропривод 27 и рассекатель 28 на ведомом диске 20 для смягчения удара набегающего потока жидкости, а для соединения вращающегося полого вала 19 с водоподводящей или топливоподводящей неподвижной совмещенной трубой 14 установка снабжена пневмогидравлическим затвором 32, включающим камеру 33 с крышкой 31, лабиринтно-винтовым уплотнением 34, конусом 35 и стояночным уплотнением 36 с контактным кольцом 37 долото, выполненное в виде составного круглого сопла 38, включающее наружное кольцо 39 с цилиндрической верхней частью 40, гладкой конической нижней частью 41 для образования с корпусом 1 наклонной кольцевой щели 42, сферического вогнутого основания 43 с концентрическими канавками 44 для создания в них изменяющегося пульсирующего давления, кольцевым пазом 45 с вертикальными колодцами 46 для подвода через них воды или топлива в кольцевую щель 42,промежуточное кольцо 47 с ребрами 48 для образования и фиксации кольцевого промежутка 49 между наружным 39 и промежуточным 47 кольцами, венец 50 для закрытия снизу кольцевой щели 49 и сферическое основание 51 с концентрическими канавками 52, центральный полый стержень 53 с головкой 54, ребрами 55 для образования и фиксации кольцевого промежутка 56 между стержнем 53 и промежуточным кольцом 47, пружиной 57,шайбой 58 и гайкой 59 для закрытия головкой 54 кольцевого промежутка 56, щелями 60 в разных направлениях для подачи воды или топлива по оси головки 54, причем наружное кольцо 39 имеет резьбовое сплошное соединение 61 с корпусом 1 установки и резьбовое соединение 62 отдельными секторами для соединения его с промежуточным кольцом 47 и для образования между соединениями секторами 62 промежутков 63 для прохода воды или топлива в кольцевой промежуток 49. Работает описанная установка следующим образом. Приводится в действие высокооборотный электропривод 27, под воздействием которого включается во вращение рабочее колесо 7 с одновременным снятием стояночного уплотнения 35, причем верхний 18 и нижний 20 элементы его, ввиду наличия между ними 4 7729 1 2006.02.28 плавного зацепления работают без скольжения относительно друг друга через водоподводящую или топливоподводящую совмещенную неподвижную трубу 14 и водопровод или топливопровод 17 подается вода или горючее и окислитель в рабочее колесо 7, а воздух - через воздухоподводящую трубку 12 в герметичный колпак 11, под действием центробежных сил вода или топливо двигаются по каналам между лопатками 24 и ребрамилопатками 23 рабочего колеса 7 в направлении от центра к периферии и через направляющий трехъярусный аппарат 5 в кольцевую камеру 8, смешиваясь в ней под высоким давлением, откуда поступают в составное круглое в сечении сопло 38, причем под действием высокого давления воды или смеси горючего и окислителя резьбовые соединения 62 и 61 уплотняются, а пружина 57 сжимается, образуя в местах плотных сопряжений составных частей сопла 38 кольцевые микрощели с, д, е, через которые устремляются с большой скоростью вода или горючее в смеси с окислителем, отклоняются в горизонтальную плоскость на венце 50 и вибрирующей в процессе работы головке 54 стержня 53 и растекаются неразрывной струей во все стороны в радиальном направлении, попадают в концентрические канавки 44 и 52, где увеличивается во много раз давление, вызывая кавитационный эффект, под действием которого на границе основания сопла 38 и грунта последний разрушается, а пульпа, все время отклоняясь сферическим вогнутым основанием 43 и 51 сопла 38, попадает в поле действия кольцевой конической струи, выбрасываемой из щели с, разрезая грунт в глубину и еще более раздробляя пульпу, которая,перемешиваясь, поднимается вверх (топливо перемещается и сгорает, а газы (рабочее тело), все время отражаясь сферическим вогнутым основанием 43 и 51 сопла 38, попадают в поле действия кольцевой конической струи, выбрасываемой из щели с, концентрируются в осевом направлении, увеличивая давление и температуру, под действием которых твердые породы расплавляются, а расплав поднимается вверх) при работе устройства вода или топливо, непредвиденно поступающие в лабиринтно-винтовое уплотнение 35 между вращающимся валом 19 и пневмогидравлическим затвором 32, отжимается обратно,обеспечивая работу рабочему колесу 7 с минимальными потерями на преодоление сил трения кроме того, при осевом движении воды или окислителя в рабочее колесо 7 в него подсасывается воздух из герметичного колпака 11 через лабиринтно-винтовое уплотнение 35 на стыке вращающегося вала 19 и водоподводящей или топливоподводящей совмещенной неподвижной трубы 14, исключая или уменьшая кавитационные явления в рабочем колесе. Благодаря отсутствию возможности возвращения воды или топлива из рабочего колеса 7 в подвод исключаются его объемные потери. Ввиду высокой прочности всех элементов устройства (все они могут быть выполнены кузнечно-штамповочными операциями) и возможности развивать рабочему колесу 7 регулируемые в широком диапазоне высокие обороты, установка создает необходимый напор воды или смеси горючего и окислителя в широком диапазоне давлений. Благодаря наличию клинового разъемного кольца 9 все элементы установки соединяются быстро и надежно. Благодаря возможности регулирования давления подачи топлива в широком диапазоне давлений обеспечивается возможность подачи его на забой в нужном количестве и получать рабочее тело расчетных параметров. Благодаря наличию стояночного уплотнения 36 исключается возможность проникновения жидкости через пневмогидравлический затвор 32 под герметичный колпак 11 с электроприводом 27 во время запуска и остановок установки, а во время работы ее обеспечивается засасывание воздуха в рабочее колесо 7 из герметичного колпака 11 через лабиринтно-винтовое уплотнение 35 пневмогидравлического затвора 32. По мере увеличения глубины погружения установки под герметичным колпаком 11 создается расчетное избыточное давление относительно давления окружающей среды. 7729 1 2006.02.28 Благодаря наличию обратного клапана 13 в нижней части колпака 11 представляется возможным осуществить сброс попавшей под него непредвиденной жидкости избыточным давлением воздуха, а клапан а обеспечивает подсос воздуха в рабочее колесо 7 через водопровод или топливопровод 17. Конструкция установки позволяет подавать на забой скважины как воду высокого давления, так и компоненты топлива не только без переустройства ее, но и без ее остановки. Ввиду подвода рабочих жидкостей к установке по гибким трубопроводам, отпадает надобность в применении бурильных труб и громоздкой металлоемкой вышки. Источники информации 1. Беркович М.Я. Технология бурения нефтяных и газовых скважин. М. Недра, 1969. С. 210-211. Фиг. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.