СПОСОБ ОРИЕНТИРОВАНИЯ ОТКЛОНИТЕЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК E21B47/22 E21B47/04 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к ориентированию бурового инструмента при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Известен способ ориентирования отклонителя забойного двигателя (турбобура) посредством применения телеметрической системы (Калинин А. Г., Григорян Н. А. и Султанов Б. З. Бурение наклонных скважин. М.: Недра, 1990, с. 113, 114, рис. 4.14). Система телеметрическая для турбобура (СТТ) по кабельному каналу связи передает с забойного блока измерительных приборов на поверхность информацию о траектории ствола над отклонителем. По данной информации с поверхности ориентируют отклонитель и ведут бурение.

Основными недостатками данного способа и системы СТТ, посредством которой он реализуется, являются: наличие кабельного канала связи, что требует значительного времени на сборку-разборку и подготовку системы к работе; сложность и низкая надежность электронного оборудования, особенно забойного блока; высокая стоимость и необходимость высококвалифицированного обслуживающего персонала.

Известен способ ориентирования отклонителя без остановки процесса бурения, названный способом МWD (Рабия Х. Технология бурения нефтяных скважин. М. : Недра, 1989, с. 229). По этому способу информация о траектории скважины поступает от забойной аппаратуры по гидравлическому каналу связи в форме импульсов давления. На поверхности импульсы расшифровывают при помощи ЭВМ и осуществляют ориентирование отклонителя забойного двигателя.

Использование гидравлического канала связи делает систему MWD более совершенной по сравнению с СТТ, но недостатками ее являются сложность, высокая стоимость и необходимость высококвалифицированного персонала для ее обслуживания.

За прототип принят способ ориентирования отклонителя забойного двигателя с использованием магнитного переводника и инклинометра с буссолью (Калинин А. Г., Григорян Н. А. и Султанов Б. З. Бурение наклонных скважин. М. : Недра, 1990, с. 103, 104, рис. 4. 5, 4.6). В данном способе информация с забоя поступает по кабельному каналу связи от инклинометра с электромагнитной буссолью и операторы ее расшифровывают. Для ориентирования отклонителя забойного двигателя в нужном азимуте используют постоянный магнит (маяк), установленный в диамагнитном корпусе и стакане над отклонителем, в плоскости искривления отклонителя. при замерах инклинометр дает информацию о расположении постоянного магнита (маяка) относительно магнитного полюса. Расчетом по полученной информации определяют угол поворота инструмента для ориентирования отклонителя забойного двигателя в необходимом азимуте.

Приведенный способ ориентирования забойного двигателя сравнительно прост, оборудование производится серийно и обслуживается операторами инклинометрических партий. Недостатком его являются: наличие кабельного канала связи, что требует значительной затраты времени на остановку бурения, спуско-подъем и замер; не- высокая точность ориентирования, в результате чего забой часто отклоняется от проектного более допустимой величины.

Цель изобретения - повышение точности и упрощение процесса ориентирования отклонителя.

Указанная цель достигается способом ориентирования отклонителя гидравлического забойного двигателя по маяку и устройством для его осуществления, заключающимся в получении сигнала о совмещении плоскости искривления отклонителя с заданным направлением скважины по гидравлическому каналу связи. Согласно изобретению, сила магнитного притяжения от маяка (электромагнит) поступает на забойное устройство через горные породы, а сигнал о совмещении плоскости искривления отклонителя с маяком в виде импульса давления передается забойным устройством по гидравлическому потоку с ограниченным расходом, исключающим включение в работу гидравлического забойного двигателя.

Устройство для осуществления способа ориентирования отклонителя гидравлического забойного двигателя по маяку, содержащее диамагнитные корпус и стакан, клапан с шарниром, отличается тем, что клапан изготовлен из магнитного материала (постоянный магнит) в виде гантели.

В этом устройстве нижняя часть клапана, имеющего форму гантели, является шарниром, выполненным путем вулканизации эластичным материалом (например, ячеистая резина) к дну и стенкам диамагнитного стакана.

Верхняя часть клапана размещена в пазу крышки диамагнитного стакана, совпадающем с плоскостью искривления отклонителя. А цилиндрическая поверхность паза крышки стакана и соприкасающаяся с ней поверхность клапана выполнены с накаткой или напылением твердым сплавом.

Кроме того, переход от стержня к клапанной части гантели выполнен конусным, а в пазу крышки стакана сделано соответствующее конусное углубление.

Предлагаемый способ повышает точность ориентирования, так как база ориентирования (расстояние от маяка до забойного устройства) по сравнению с прототипом увеличивается с нескольких сантиметров до десятков или сотен метров.

Отпадает необходимость в длительных остановках процесса бурения, так как нет кабельного канала связи, а ориентирование отклонителя в данном способе производится членами буровой бригады.

Устройство для осуществления предлагаемого способа ориентирования отличается от известного следующим.

Изготовление клапана в виде гантели из магнитного материала (постоянный магнит) позволяет избежать дополнительных связей и передач между принимающими и передающими сигнал элементами.

Шарнир, выполненный вулканизацией нижней части гантели эластичным материалом (например, ячеистая резина) к дну и стенкам стакана, позволяет клапану отклоняться от оси в пазу при притяжении маяка и занимать первоначальное положение при отключении маяка.

В момент перемещения клапана в пазу крышки стакана под действием маяка в трубах возникает дополнительное давление, что сигнализирует о совмещении отклонителя с направлением на маяк. При этом гидравлический поток с ограниченным расходом исключает работу гидравлического забойного двигателя, что позволяет иметь сигнал импульсом давления в чистом виде без накладок от работы двигателя и долота.

Наличие накатки или напыления твердым сплавом на цилиндрической поверхности паза крышки и соприкасающейся с ней поверхности клапана предотвращает преждевременное отклонение клапана в пазу до полного совмещения плоскости искривления отклонителя с плоскостью маяка.

Выполнение клапанной части гантели с конусной поверхностью и соответствующее конусное углубление в пазу крышки стакана надежно стопорит клапан в стакане при бурении, т.е. при гидравлическом потоке с полным расходом.

На фиг. 1 показана схема осуществления способа ориентирования отклонителя; на фиг. 2 - забойное устройство, продольный разрез; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2.

Маяк 1 является электромагнитом с источником питания 2. Прибор 3 сигнализирует о получении импульсов давления от датчика 4 в системе промывки по бурильным трубам 6 от забойного устройства 7. Ротор 5 посредством бурильных труб 6 позволяет поворачивать отклонитель 8 гидравлического забойного двигателя 9 с долотом 10.

Забойное устройство 7 состоит из диамагнитных корпуса 11 и стакана 12. В стакане 12 размещен клапанный элемент 13, имеющей форму гантели (два шара, соединенных стержнем), выполненной из магнитного материала (постоянный магнит). Один конец гантели является северным полюсом магнита N, а другой южным полюсом S. Полюса клапанного элемента 13 установлены соответственно ориентации полюсов маяка (электромагнита) 1.

Нижняя часть клапанного элемента 13 привулканизирована эластичным материалом (например, ячеистая резина) 14 к дну и стенкам стакана 12. В стакане 12 имеется крышка 15 с пазом 16. Паз 16 находится в плоскости искривления отклонителя 8. При совпадении плоскости искривления отклонителя 8 с маяком 1 клапанный элемент 13 магнитным притяжением отклоняется в сторону маяка 1 и из положения а занимает положение б. В этот момент в трубах 6 возникает повышенный импульс давления, который передается через датчик 4 на прибор 3.

Для предотвращения преждевременного отклонения клапанного элемента 13 до совмещения плоскости искривления отклонителя 8 с плоскостью маяка 1 на клапанном элементе 13 выполнена насечка или напыление твердым сплавом 17, а на цилиндрической поверхности паза 16 - насечка или напыление твердым сплавом 18.

С целью стопорения клапанного элемента 13 в стакане 12 в процессе бурения (с полным расходом промывочной жидкости) переход от стержня клапанного элемента 13 к клапанной части выполнен с конусной поверхностью 19, а в пазу крышки 15 выполнено конусное ответное углубление 20. При включении полного потока промывочной жидкости клапанный элемент 13 потоком смещается вниз в эластичном материале 14 и посадкой поверхности 19 на поверхность углубления 20 клапан стопорится.

Таким образом, ориентирование отклонителя гидравлического забойного двигателя по заявляемому способу осуществляется в следующей последовательности.

После спуска инструмента на забой включают промывку с ограниченным расходом, затем включают электромагнит маяка 1 и медленно вращают инструмент ротором 5. В момент совмещения плоскости искривления отклонителя 8 с плоскостью маяка 1 клапанный элемент 13 магнитным притяжением отклоняется из положения а в положение б. За счет увеличения площади сопротивления гидравлическому потоку возрастает давление и сигнал с датчика 4 поступает на прибор 3. Инструмент доворачивают на угол, компенсирующий реактивный момент забойного двигателя 9, и запирают ротором 5. Выключают электромагнит маяка 1 и циркуляцию промывочной жидкости. Клапанный элемент 13 возвращается из положения "б" в положение "а".

Включают циркуляцию промывочной жидкости с полным расходом, клапанный элемент 13 стопорится в стакане 12 и ведется бурение.

Через определенные интервалы проходки или время бурения операцию повторяют. Периодически контролируют угол наклона скважины каким-либо известным способом и оборудованием.

В качестве примера конкретного выполнения заявляемого способа и устройства для его осуществления можно рассмотреть бурение наклонно направленной скважины на Кокуйской площади объединения Пермнефть, по которой сделан предварительный расчет экономической эффективности.

Основные проектные параметры:
Глубина (протяженность ствола) скважины, м 1495
Горизонтальное проложение скважины, м 550
Начало искривления ствола, м 500
Азимут скважины, град 25
Круг допуска забоя, м 50
При подходе к глубине 500 м маяк 1, состоящий из электромагнита с источником питания 2 от напряжения 380 В, выносят от устья скважины на расстоянии 400-500 м в азимуте 25^о. Устанавливают маяк 1 в шурфе южным полюсом S вниз, а в забойном устройстве 7 клапанный элемент 13, изготовленный из постоянного магнита, северным полюсом N вверх.

Инструмент, состоящий из труб 6, забойного устройства 7, отклонителя 8, забойного двигателя 9 и долота 10, спускают в скважину. Включают циркуляцию промывочной жидкости с расходом 50% от необходимого для бурения и маяк 1. Ротором 5 медленно вращают инструмент до появления на приборе 3 сигнала о совмещении плоскости искривления отклонителя 8 с плоскостью маяка 1. Сигнал указывает, что отклонитель 8 направлен в азимуте 25^о. Затем доворачивают инструмент на угол, компенсирующий реактивный момент двигателя 9, и застопоривают ротор 5. Выключают циркуляцию промывочной жидкости и маяк 1.

Включают циркуляцию промывочной жидкости с полным расходом и приступают к бурению.

Следующее ориентирование производят по указанной схеме через определенный интервал проходки или времени бурения, например через 10 м или 20 мин. Угол наклона ствола можно контролировать любым известным способом. При достижении глубины скважины 1495 м при каротаже производят контроль инклинометром за попаданием в круг допуска 50 м.

Применение предлагаемого способа ориентирования отклонителя гидравлического забойного двигателя позволяет буровой бригаде вести бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин без дорогостоящего оборудования. Точность проводки скважины повышается, что позволяет уверенно попадать в круг допуска. Время бурения скважины сокращается за счет снижения времени остановки процесса бурения. В целом улучшаются показатели строительства скважины и повышается качество.

Способ ориентирования отклонителя гидравлического забойного двигателя по магнитному маяку, заключающийся в задании направления бурения скважины, совмещении плоскости искривления отклонителя с заданным направлением бурения скважины, формировании и подаче сигнала о моменте совмещения на устье по каналу связи, при этом маяк располагают в районе устья скважины, канал связи создают циркуляцией промывочной жидкости, с ограниченным расходом, а сигнал о совмещении плоскости искривления отклонителя с маяком формируют в виде импульса повышенного давления. Устройство для осуществления способа включает постоянный магнит, выполненный в виде гантели с двумя шарами, размещенный в диамагнитных стакане и корпусе, постоянный электромагнит, расположенный в районе устья скважины, при этом стакан выполнен с крышкой и пазом, а постоянный магнит расположен с возможностью перемещения в пазу, при этом один шар постоянного магнита шарнирно закреплен в стакане, а другой находится вне его. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

СПОСОБ ОРИЕНТИРОВАНИЯ ОТКЛОНИТЕЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.