УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ Российский патент 1994 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к бурению и проводке скважин и может быть использовано в геолого-разведочной, горной, нефтяной и газовой промышленности, а также при строительстве коммуникационных скважин.

Известно устройство для искривления скважин [1], содержащее породоразрушающий инструмент, забойный двигатель с валом и корпусом, выдвижные в радиальном направлении отклоняющий элемент, установленный на верхнем конце корпуса, и в диагонально противоположную сторону элемент, установленный на нижнем конце корпуса. Такое устройство позволяет изменять траекторию проводки скважины на определенный угол, т.е. в одном режиме, но для того чтобы изменить величину искривления, требуется сменить устройство. Такой процесс требует больших затрат труда и времени. Кроме того, устройство ненадежно в работе, так как отклоняющие элементы истираются о скальные породы, а при взаимодействии устройства с менее прочными породами отклонения может не произойти, при этом сопротивление движению бурильного инструмента заметно возрастает.

Известно устройство для изменения азимута ствола скважины, включающее вал с центральным каналом и радиальными отверстиями, установленную на нем с возможностью вращения втулку с лопастями, образующую с валом кольцевую полость, гидравлически связанную с центральным каналом вала через его радиальные отверстия.

Такое устройство позволяет изменять азимут ствола скважины за счет истечения жидкости из лопастей втулки, вращающейся от действия реактивной струи. Величина искривления зависит от скорости вращения втулки, регулирование которой затруднено и требует замены элементов устройства, а соответственно дополнительных спуско-подъемных операций. Устройство недостаточно надежно, имеет низкие эксплуатационные качества, искривление скважины недостаточно эффективно по азимуту и неуправляемо по вертикали.

Известен отклонитель [3] , принятый за прототип, включающий бурильные трубы, рабочий двигатель, долото, корпус, расположенный в корпусе вал с центральным каналом, установленную подвижно в осевом направлении в одной части корпуса основную втулку, внутренняя поверхность которой расположена под углом к оси отклонителя, механизм перемещения втулки, выполненный в виде установленного на валу с возможностью вращения и осевого перемещения подпружиненного поршня со шлицами на наружной поверхности, и дополнительную втулку, смонтированную в корпусе с возможностью вращения, связанную резьбой и имеющую шлицы для связи со шлицами поршня в рабочем положении, причем вал имеет каналы для связи его полости с полостью корпуса.

Такое устройство позволяет искривлять траекторию скважины под определенным углом, но имеет технологические недостатки, аналогичные тем, которыми обладают устройства [1, 2]. Для измерения угла отклонения необходимо поменять устройство или снять его вообще, так как угол отклонения в нем фиксированный, поэтому требуются большие затраты времени для выполнения спускоподъемных операций и монтажных работ. Отклонитель недостаточно надежен, поскольку при взаимодействии втулки с элементом шарнира (коротким плечом) возникают большие контактные напряжения от действия изгибающего момента, кроме того, для приведения в действие отклонителя необходимо развить большое осевое усилие, так как механизм состоит из двух передаточных звеньев, дважды дающих проигрыш в усилии (шлицевое зацепление и шарнирный рычаг). Поскольку осевое усилие зависит от давления сплошной среды (жидкости), то такое устройство требует применения мощного энергоемкого оборудования для подачи жидкости.

Таким образом, известные устройства для искривления ствола скважин недостаточно эффективны, поскольку имеют низкие эксплуатационные качества, невысокую производительность бурения и проводки скважин, ненадежны в работе и не обеспечивают высокую точность проводки протяженных точнонаправленных скважин.

Целью изобретения является повышение эффективности протяженных точнонаправленных скважин.

Поставленная цель достигается тем, что корпус выполнен в виду двух полых концевиков, скрепленных валом с центральным каналом и сопряженных с поршнем, который снабжен пружиной и двумя остановами, один из которых связан с полостью одного концевика, а другой - с внутренней поверхностью основной втулки, расположенной между концевиками с возможностью вращения при движении поршня в сторону забоя, причем пружина установлена в полости другого концевика, внутри вала с центральным каналом расположен дополнительный вал, установленный в подшипниках концевиков и кинематически связанный зубчатой передачей или карданной связью с забойным двигателем и долотом. Цилиндрические полости и посадочные отверстия концевиков выполнены с эксцентриситетом, не превышающим полуразность наружных диаметров долота и бурильных труб, причем посадочные отверстия основной втулки и концевиков выполнены с одним эксцентриситетом, а основная втулка выполнена совместно с одним концевиком, подвижно установленным на упорном подшипнике. На внешней поверхности вала с центральным каналом выполнены продольно-винтовые шлицы, соединенные с роликами, прикрепленными к внутренней поверхности поршня, втулка соединена с поршнем прямыми шлицами и на ее внешней поверхности установлена подвижная рубашка.

Предлагаемое устройство для изменения траектории ствола скважины эффективно в работе, так как позволяет варьировать углом отклонения в процессе бурения скважины, более надежно и удобно в эксплуатации, позволяет повысить производительность бурения и точность проводки скважин, способно работать в автоматическом режиме с дистанционным управлением, безопасно.

Существенным отличительным признаком является наличие корпуса, выполненного в виде двух полых концевиков, жестко закрепленных на валу с эксцентриситетом, поршня, смонтированного внутри концевиков, и эксцентриковой втулки, подвижно расположенной между концевиками и связанной с поршнем шлицами, механизма перемещения втулки, выполненного в виде двух остановов, дополнительного вала, смонтированного в подшипниковых опорах концевиков и соединенного зубчатой передачей или карданной связью с забойным двигателем и долотом, при этом втулка может быть выполнена совместно с одним из концевиков, подвижно установленным на упорном подшипнике.

В связи с тем что указанные признаки не обнаружены в известных решениях, заявленное техническое решение отвечает кpитерию "существенное отличие".

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство с забойным двигателем; на фиг. 2 - кинематическая схема передачи; на фиг.3 и 4 - устройство в компоновке после забойного двигателя и кинематическая схема передачи; на фиг.5 - то же, в компоновке с забойным двигателем, расположенным перед устройством; на фиг. 6 - устройство с неподвижными концевиками; на фиг.7 и 8 - разрезы А-А и Б-Б на фиг.6; на фиг.9 - устройство с подвижным концевиком, выполненным совместно с втулкой; на фиг.10 - устройство с подвижной рубашкой.

Устройство для изменения траектории проводки ствола скважины (фиг.1 и 2) состоит из корпуса с основной подвижной втулкой 1, расположенной между концевиками 2 и 3, которые резьбовым соединением прикреплены к бурильным трубам 4 и забойному двигателю 5. При расположении устройства между двигателем 5 и долотом 6 передача вращения от двигателя 5 к долоту 6 осуществляется посредством дополнительного вала 7, смонтированного в подшипниках 8 и 9 внутри устройства. На конце вала 7 установлены зубчатые колеса, одно из которых, например колесо 10, находится в зацеплении с центральным колесом 11 двигателя 5, а другое колесо 12 находится в зацеплении с центральным колесом 13 вала 14, смонтированного в подшипниках 15 и несущего долото 6 снаружи корпуса у забоя. Ось вала 7 проходит с постоянным эксцентриситетом по отношению к оси забойного двигателя 5 и долота 6. Осевая линия основной втулки 1 при ее повороте подвижна и может совмещаться с осью забойного двигателя 5.

При выполнении основной втулки 1 совместно с одним из концевиков устройства (фиг. 3 и 4) осевая линия корпуса 16 также при повороте может совмещается с осью забойного двигателя 5.

В компоновке (фиг.5) осевая линия корпуса 16 при повороте его совместно с забойным двигателем 5 и долотом 6 аналогично совмещается с осью бурильной трубы.

Корпус устройства (фиг.6) выполнен из двух частей в виде полых концевиков 2 и 3, жестко закрепленных на концах вала 17 с центральным отверстием 18. Цилиндрические полости 19 и посадочные отверстия концевиков 2 и 3 выполнены с эксцентриситетом, равным полуразности наружных диаметров долота и концевиков или максимальному расстоянию между осями вала 7 и забойного двигателя. Поршень 20, установленный на валу 17 с центральным отверстием и расположенный в полостях концевиков, подпружинен пружиной 21 и снабжен двумя остановами 22 и 23, один из которых связан с полостью концевика 2, а другой - с внутренней цилиндрической поверхностью втулки 1, расположенной между концевиками, с возможностью вращения втулки при движении поршня в одном направлении под действием давления промывочной жидкости, поступающей в полость 19 через каналы 24, и вращения поршня 20 при движении в обратном направлении действием пружины 21. Посадочное отверстие втулки 1 и ее шлицы 25, имеющие связь с поршнем 20, выполнены так же с эксцентриситетом, как и концевики.

Втулка, выполненная совместно с одним из концевиков в виде сплошного корпуса 16, подвижно установлена на упорном подшипнике 26 (фиг.9). Концевик 2 неподвижно, а корпус 16 подвижно крепятся на валу 17 посредством гаек 27.

Устройство (фиг. 10) может быть выполнено таким, что на внешней поверхности вала 17 с центральным каналом выполнены продольно-винтовые шлицы 28, соединенные с подпружиненными роликами или пальцами 29, прикрепленными к поршню, а втулка 1 соединена с поршнем прямыми шлицами 30. Для снижения сил сопротивления при повороте втулки 1 на ее внешней поверхности установлена подвижная рубашка 31. Уплотнения 32 (фиг.6) предназначены для предотвращения утечки промывочной жидкости, втулка 33 служит для технологичности сборки.

Устройство работает следующим образом.

При подаче промывочной жидкости под давлением (фиг.1) по бурильным трубам 4 к устройствам для изменения траектории ствола скважины подвижные втулки 1 смещаются в разные стороны, образуя эксцентриситет по отношению к оси бурильных труб 4, забойного двигателя 5 и долота 6. Передача вращения от вала забойного двигателя к долоту осуществляется посредством зубчатой передачи, состоящей из колес 10-13, дополнительного вала 7, смонтированного в подшипниках 9 и 8 и расположенного внутри вала 17 с центральным отверстием (фиг.4). Процесс смещения втулки 1 происходит под действием промывочной жидкости, поступающей по каналам 24 в полость 19 одного из концевиков 2 и действующей на поршень 20, который, перемещаясь поступательно, преобразует это движение во вращательное движение втулки 1 посредством шлицев 25, образующих геликоидальную кинематическую пару. Полное отклонение втулки может произойти за один ход поршня. Однако в зависимости от величины шага шлицев полное отклонение можно осуществить за несколько ходов поршня, т.е. подавая циклически промывочную жидкость под большим давлением, значительно превышающим рабочее давление. При этом пружина 21 после сбрасывания давления промывочной жидкости возвращает поршень в исходное положение, который при этом совершает вращательное движение, а втулка остается неподвижной. Это происходит под действием остановов 22 и 23, которые действуют в противоположных направлениях.

По такому же принципу осуществляется отклонение корпуса 16 (фиг.5) при совместном выполнении втулки и концевика, подвижно установленного на упорном подшипнике. Аналогичное отклонение втулки 1 происходит при работе устройства (фиг.6), у которого поступательное перемещение поршня 20 под давлением промывочной жидкости преобразуется во вращательное движение втулки 1 при взаимодействии подпружиненных пальцев 29 поршня 20 с винтовой частью продольно-винтовых шлицев 28 вала 17 с центральным каналом, а при обратном движении поршня действием пружины 21 пальцы 29 попадают в продольную канавку, выполненную под небольшим углом, втулка 1 при этом неподвижна.

Устройство может работать с электрическими и гидравлическими забойными двигателями 5. В первом случае промывочная жидкость, подаваемая по бурильным трубам под давлением, приводит в действие гидравлический забойный двигатель, который работает в оптимальном режиме при определенном расходе промывочной жидкости. Однако для того чтобы произошло отклонение втулки 1, необходимо избыточным давлением преодолеть силу пружины 21. С этой целью включается дополнительный насос, увеличивающий расход жидкости, или используется насос с регулируемым расходом промывочной жидкости. Избыточное давление создается кратковременно для поворота втулки, а рабочее давление создается для работы двигателя в оптимальном режиме и промывки скважины.

Использование данного устройства позволяет повысить эффективность бурения и проводки точнонаправленных протяженных скважин. Внедрение предполагаемого изобретения на нефтепромыслах дает экономический эффект за счет увеличения нефтеотдачи, снижения капитальных затрат и повышения производительности труда, что приводит к снижению себестоимости нефти.

Использование: для бурения протяженных точнонаправленных скважин с поверхности земли, моря и из подземных горных выработок. Сущность изобретения: устройство включает корпус, выполненный в виде полых концевиков, жестко скрепленных полым валом, сопряженным с подпружиненным поршнем, имеющим два останова, один из которых связан с внутренней поверхностью одного из концевиков, а другой - с внутренней возможностью основной втулки, расположенной между концевиками с возможностью вращения при движении поршня в сторону забоя. Пружина поршня установлена в полости другого концевика; внутри вала с центральным каналом расположен дополнительный вал, установленный в подшипниках концевиков и соединенный зубчатой передачей или карданной связью с забойным двигателем и долотом. Цилиндрические полости и посадочные отверстия концевиков выполнены с эксцентриситетом, не превышающим полуразность наружных диаметров долота и бурильных труб. Посадочные отверстия основной втулки и концевиков выполнены с одним эксцентриситетом, причем основная втулка выполнена совместно с одним концевиком, подвижно установленным на упорном подшипнике вала с центральным каналом, на внешней поверхности которого выполнены продольно-винтовые шлицы, соединенные с роликами или подпружиненными штырями, прикрепленными к внутренней поверхности поршня. На внешней поверхности основной втулки, соединенной с поршнем прямыми шлицами, установлена подвижная рубашка. 5 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ, включающее корпус, расположенный внутри него вал с центральным отверстием, отклонитель, установленную подвижно в осевом направлении основную втулку с внутренней поверхностью, расположенной под углом к оси отклонителя, механизм перемещения втулки, содержащий установленный на валу с возможностью вращения и осевого перемещения подпружиненный поршень со шлицами на наружной поверхности, дополнительную втулку, установленную в корпусе с возможностью вращения, связанную резьбой с основной втулкой, соединенной шлицами с поршнем в рабочем положении, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде двух полых концевиков с эксцентриситетом их цилиндрических поверхностей и посадочных отверстий, жестко закрепленных на концах вала с центральным отверстием, причем поршень расположен в полостях концевиков и снабжен двумя остановами, один из которых связан с полостью концевика, а другой - с внутренней цилиндрической поверхностью основной втулки, последняя расположена между концевиками с возможностью вращения ее при движении поршня в одном направлении и при вращении поршня при его движении в обратном направлении действием пружины, установленной в полости концевика. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрические полости и посадочные отверстия концевиков выполнены с эксцентриситетом, не превышающим полуразность наружных диаметров долота и бурильных труб. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что посадочные отверстия основной втулки и концевиков выполнены с одним эксцентриситетом. 4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что основная втулка выполнена совместно с одним из концевиков, а последний подвижно установлен на упорном подшипнике. 5. Устройство по пп.1-5, отличающееся тем, что на внешней поверхности основной втулки установлена подвижная рубашка. 6. Устройство по пп. 1-6, отличающееся тем, что внутри вала с центральным отверстием расположен дополнительный вал, установленный в подшипниках концевиков и кинематически связанный зубчатой передачей или карданной связью с забойным двигателем и долотом.