ШАРНИРНЫЙ ОТКЛОНИТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно-направленных скважин при помощи забойных двигателей.

Известен турбинный шарнирный отклонитель, содержащий направляющую штангу с долотом и упругим наддолотным центратором, турбобур, роторная система которого связана с направляющей штангой посредством шарнирной муфты, и децентратор, включающий каркас с упругими опорными планками, жестко соединенный со статорной системой [1] В указанном отклонителе реактивный момент турбобура оказывает нежелательное влияние на направление искривления скважины, поскольку каркас децентратора жестко связан с корпусом турбобура и поворачивается под действием реактивного момента, например, при изменении крутящего момента турбобура.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является шарнирный отклонитель, включающий направляющую штангу с долотом и упругим наддолотным центратором, забойный двигатель с роторной системой связанной с направляющей штангой посредством шарнирной муфты и децентратор, содержащий ствол с установленным на нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения и проворота каркасом с упругими опорными планками [2] Недостаток шарнирного отклонителя состоит в том, что реактивный момент забойного двигателя воздействует на каркас децентратора, изменяя положение его опорных планок, что отражается на направлении искривления скважины.

Изобретение направлено на исключение воздействия реактивного момента забойного двигателя на каркас децентратора путем сведения до минимума в процессе бурения силового взаимодействия статорной системы забойного двигателя и каркаса децентратора.

Для этого шарнирный отклонитель, включающий направляющую штангу с долотом и упругим наддолотным центратором, забойный двигатель с роторной системой связанной с направляющей штангой посредством шарнирной муфты и децентратор, содержащий ствол с установленным на нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения и проворота каркасом с упругими опорными планками, снабжен фиксатором углового положения каркаса, выполненным в виде упора, связанного со статорной системой забойного двигателя или каркасом, и ответного паза, выполненного соответственно в каркасе или на статорной системе забойного двигателя.

Боковая поверхность паза фиксатора может быть наклонена под острым углом к оси ствола.

Предлагаемое устройство обеспечивает работу шарнирного отклонителя в двух режимах.

Режим направленного бурения (искривления) ствола скважины, при котором разорвана силовая связь между статорной системой забойного двигателя и каркасом децентратора, задающий азимут искривления ствола скважины. В этом случае, исключается воздействие реактивного момента на каркас децентратора. Последний взаимодействует своими опорными планками со стенками скважины, которые тормозят его от поворота, а в радиальных опорах каркаса свободно вращаются элементы отклонителя.

Режим ориентирования, при котором устанавливается силовая связь между статорной системой забойного двигателя и каркасом децентратора. В этом режиме становится возможным путем поворота бурильной колонны ротором буровой установки, ориентировать плоскость действия отклонителя в заданном азимуте за счет действия фиксатора.

Исключение нежелательного действия реактивного момента забойного двигателя на каркас децентратора, обеспечивается с помощью относительно простых технических средств, позволяет получить более высокую надежность управления направлением бурения наклонно-направленного ствола скважины и достижение заданного азимута последней. Наряду с этим сохраняется возможность корректировки азимута в процессе бурения ствола скважины.

На фиг. 1 изображен шарнирный отклонитель в положении ориентирования, ствол децентратора связан с роторной системой забойного двигателя; на фиг. 2 то же, ствол децентратора связан со статорной системой забойного двигателя; на фиг. 3 разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 4 разрез по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 5 вариант выполнения фиксатора; на фиг. 6 шарнирный отклонитель по фиг. 1 в положении искривления ствола; на фиг. 7 фрагмент шарнирного отклонителя по фиг. 2 в положении искривления ствола; на фиг. 8 фрагмент шарнирного отклонителя по фиг. 5 в положении искривления ствола.

Шарнирный отклонитель содержит направляющую штангу 1 с долотом 2 и упругим наддолотным центратором в виде ствола 3, на котором установлен каркас 4 с упругими опорными планками 5. Каркас 4 имеет радиальные опоры скольжения (на чертеже не указаны), что обеспечивает его свободное вращение на стволе 3, а номинальный диаметр каркаса 4 по опорным планкам 5 больше диаметра долота 2.

Децентратор выполнен в виде ствола 6 и каркаса 7, с упругими опорными планками 8, установленного на стволе 6 с возможностью возвратно-поступательного перемещения и проворота, что обеспечивается благодаря наличию у каркаса 7 радиальных опор скольжения (на чертеже не показаны). Смещение оси ствола 6 децентратора относительно оси скважины обеспечивается за счет размещения упругих опорных планок 8 каркаса 7 по одну сторону его диаметра (см. фиг. 3). Забойный двигатель включает роторную систему 9 и статорную систему 10.

Шарнирная муфта 11 связывает верхний конец направляющей штанги 1 с роторной системой 9 забойного двигателя или через ствол 6 децентратора (см. фиг. 1, 5), если децентратор расположен на роторной системе 9, или непосредственно с последней, если децентратор расположен на статорной системе 10 двигателя.

Если децентратор расположен на роторной системе 9 двигателя, то над стволом 6 децентратора может быть установлена осевая опора 12 (скольжения или качения), обеспечивающая минимальное трение при контакте с верхним торцом каркаса 7 децентратора.

Фиксатор углового положения каркаса 7 децентратора, в случае расположения последнего на роторной системе 9 забойного двигателя, выполнен в виде упора 13, связанного с каркасом 7, и ответного паза 14, в статорной системе 10 забойного двигателя (см. фиг. 1, 4). Возможно также и обратное выполнение упор связан со статорной системой 10, а ответный паз имеет каркас 7 (на чертеже не показано).

При аналогичном расположении децентратора, фиксатор углового положения каркаса 7 может представлять собой упор 15 на торце каркаса и ответный паз 16 на торце статорной системы 10, имеющий наклонную под острым углом к оси ствола 6 боковую поверхность (см. фиг. 5). Возможно выполнение упора на торце статорной системы 10, а ответного паза на торце каркаса 7 (на чертеже не показано). В этом случаях на стволе 6 децентратора нет осевой опоры.

Если децентратор расположен на статорной системе 10 забойного двигателя, то его ствол 6 связан со статорной системой 10, а фиксатор углового положения каркаса 7 может быть выполнен, например, в виде выступа 17 на торце каркаса 7 и ответного паза 18 на статорной системе 10 забойного двигателя (см. фиг. 2), причем боковая поверхность 19 паза 18 наклонена под острым углом к оси ствола 6.

Плоскость действия шарнирного отклонителя определяется положением упругих опорных планок 8 каркаса 7 децентратора (см. фиг. 3). Устанавливают плоскость действия отклонителя с помощью забойного инклинометра, который представляет собой, например, магнитный переводник 20 и диамагнитную трубу 21. Магнитная метка переводника 20 ориентирована относительно паза 14 статорной системы 10 забойного двигателя, а расположение периодически взаимодействующего с указанным пазом упора 13 относительно опорных планок 8 каркаса 7 задано конструктивно (см. фиг. 4).

Шарнирный отклонитель работает следующим образом.

В режиме ориентирования шарнирный отклонитель спускают на забой скважины. Затем поднимают его с проворотом бурильной колонны (на чертеже не показана), обеспечивая заход упора 13 в паз 14 фиксатора (см. фиг. 1). При этом направляющая штанга 1 занимает положение при котором шарнирная муфта 11 децентратором отжимается к стенке скважины, противоположной заданному направлению искривления.

Для компоновок шарнирного отклонителя по фиг. 2 и фиг. 5 с верхним расположением фиксатора относительно каркаса 7 децентратора, для замыкания фиксатора, отклонитель спускают на забой скважины. При этом выступ 17 попадает в паз 18, а выступ 15 в паз 16, т.е. происходит силовое замыкание каркаса 7 децентратора и статорной системы 10 забойного двигателя.

В этих положениях осуществляется ориентирование плоскости действия отклонителя в заданном азимуте путем поворота по часовой стрелке бурильной колонны ротором буровой установки. Угол поворота каркаса 7, т.е. положение его опорных планок 8, определяющих плоскость действия отклонителя, контролируют при помощи забойного инклинометра.

В режиме искривления ствола скважины (см. фиг. 6-8) отклонитель вновь опускают на забой, при этом упор 13 выходит из паза 14, т.е. разрывается силовое воздействие каркаса 7 и статорной системы 10 забойного двигателя.

Для случаев торцевого расположения фиксатора (см. фиг. 7 и 8), контакт верхнего торца каркаса 7 и торца статорной системы 10 забойного двигателя сохраняется.

В процессе углубления скважины при вращении роторной системы 9 забойного двигателя каркас 7 децентратора не вращается, т.к. момент сил трения его опорных планок 8 о стенки скважины превышает момент сил трения в радиальных опорах каркаса 8, а для случая на фиг. 6 и момент сил трения в осевой опоре 12, с которой взаимодействует торец каркаса 8.

Это обеспечивает сохранение азимута плоскости действия отклонителя.

Во всех случаях воздействие реактивного момента статорной системы 10 забойного двигателя на каркас 7 полностью исключено. Так для случая на фиг. 6 попросту отсутствует силовое взаимодействие каркаса 7 и статорной системы 10, а для случаев на фиг. 7 и 8, при повороте против часовой стрелки статорной системы 10 под действием реактивного момента, будет проявляться эффект храпового зацепления (холостой ход), т.е. наклонная боковая поверхность паза 16 и паза 18 при взаимодействии с выступами 15 и 17 каркаса 7 соответственно, лишь отжимает последний вниз по оси ствола 6 децентратора, обеспечивая холостой поворот статорной системы 10 относительно каркаса 7.

В начальный момент искривления скважины (см. фиг. 6), силы упругой деформации опорных планок 8 каркаса 7 децентратора будут стремиться прижать верхний конец направляющей штанги 1 с шарнирной муфтой 11 к стенке скважины, противоположной заданному направлению ее искривления, что, благодаря наличию наддолотного центратора, приведет к отклонению оси долота 2 в сторону искривления скважины. После прижатия шарнирной муфты 11 к указанной стенке, интенсивность искривления скважины с большой точностью будет определяться геометрическими параметрами направляющей штанги 1.

Для повышения надежности работы шарнирного отклонителя периодически, с помощью забойного инклинометра, проверяется плоскость действия отклонителя и при необходимости корректируется.

Изобретение обеспечивает искривление скважин в заданном азимуте при бурении забойным двигателем, т. к. фиксирует плоскость действия отклонителя, устраняя влияние на нее реактивного момента забойного двигателя в процессе углубления скважины.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при наклонно-направленном бурении скважин. Отклонитель содержит направляющую штангу 1 с долотом 2 и упругим наддолотным центратором, децентратор, включающий ствол 6 и установленный на нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения и проворота каркас 7 с упругими опорными планками 8, забойный двигатель, роторной системой 9 связанный с направляющей штангой 1 посредством шарнирной муфты 11, а статорной системой 10 периодически взаимодействующий с каркасом 7 с помощью фиксатора, выполненного в виде упора, связанного со статорной системой 10 или каркасом 7, и ответного паза в каркасе 7 или на статорной системе 10. При взаимодействии каркаса 7 со статорной системой 10 забойного двигателя, производят ориентирование плоскости действия отклонителя а при отсутствии указанного взаимодействия - направленное бурение скважины. В последнем случае исключено влияние реактивного момента забойного двигателя на каркас 7 децентратора. 1 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. ШАРНИРНЫЙ ОТКЛОНИТЕЛЬ, включающий направляющую штангу с долотом и упругим наддолотным центратором, забойный двигатель с роторной системой, связанной с направляющей штангой посредством шарнирной муфты, и децентратор, содержащий ствол с установленным на нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения и проворота каркаса с упругими опорными планками, отличающийся тем, что он снабжен фиксатором углового положения каркаса, выполненным в виде упора, связанного со статорной системой забойного двигателя или каркасом, и ответного паза, выполненного соответственно в каркасе или на статорной системе забойного двигателя. 2. Отклонитель по п. 1, отличающийся тем, что боковая поверхность паза фиксатора наклонена под острым углом к оси ствола.