УПРУГИЙ ЦЕНТРАТОР Российский патент 1997 года по МПК E21B17/10 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в компоновке низа бурильной колонны при бурении нефтяных и газовых скважин.

Известен упругий центратор, содержащий корпус и связанные с ним упругие опорные планки [1]
Данный центратор предназначен для статических условий работы, поэтому его нельзя использовать для центрирования вращающейся бурильной колонны, находящейся в наклонном или горизонтальном стволе скважины.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому эффекту является упругий центратор, содержащий ствол и установленный на нем с помощью радиальных опор и распорной втулки каркас с дугообразными опорными планками [2]
Однако известный упругий центратор обладает линейной жесткостной характеристикой. Поэтому для требуемой высокой рабочей жесткости центратора при бурении он будет обладать аналогичной высокой жесткостью при спуске инструмента в скважину. Но в таком случае, на начальном этапе может попросту не хватить веса инструмента для обеспечения спуска.

Изобретение направлено на создание упругого центратора обладающего, ступенчатой жесткостной характеристикой с минимальной жесткостью при спуске инструмента в скважину и максимальной при бурении наклонного или горизонтального ствола.

Для этого упругий центратор, содержащий ствол и установленный на нем с помощью радиальных опор и распорной втулки каркас с дугообразными опорными планками, снабжен упорами для ограничения прогиба опорных планок.

Упоры могут быть выполнены в виде кольцевых выступов на распорной втулке; в виде пары колец размещенных между торцами радиальных опор и распорной втулки.

Упоры могут располагаться на внутренней поверхности опорных планок; упоры могут быть расположены на внутренней поверхности каждой опорной планки попарно; каждый упор может иметь цилиндрический выступ, а опорная планка - ответное отверстие.

При искривлении ствола скважины на упругий центратор действуют значительные радиальные нагрузки. Поэтому опорные планки каркаса центратора должны обладать высокой жесткостью на изгиб, т.к. в противном случае их деформация (прогиб) превысит предельно допустимое значение, что приведет к смещению оси долота от центра скважины, т.е. к изменению направления бурения. Кроме того, наличие деформаций превышающих предельно допустимые приводит к появлению остаточных деформаций опорных планок каркаса, что исключает повторное использование упругого центратора. Таким образом, наличие высокой жесткости является обязательным условием работоспособности упругого центратора.

Однако следует иметь ввиду, что диаметр каркаса центратора по опорным планкам в свободном состоянии превышает диаметр долота порядка на 10 мм. С учетом того, что жесткостная характеристика известного упругого центратора линейная, тогда жесткость, характеризуемая углом наклона последней, будет постоянной. Поэтому, при спуске инструмента в скважину жесткость известного центратора также велика, как при бурении. Но для обеспечения надежного спуска инструмента в скважину, как уже отмечалось, требуется обеспечить малую жесткость на изгиб опорных планок каркаса центратора.

Предложенное техническое решение позволяет совместить два перечисленных условия малую жесткость на изгиб опорных планок каркаса при спуске инструмента в скважину и высокую жесткость при бурении.

Данная техническая задача решена путем включения в конструкцию упругого центратора упоров. Последние могут располагаться или на деформируемых опорных планках каркаса или на составной радиальной опоре, на которой установлен каркас центратора. Благодаря наличию указанных упоров, появляется возможность регулировать длину деформируемой упругой опорной планки центратора, существенно изменяя таким образом ее жесткость. Так при спуско-подъемных операциях, когда центратор находится в вертикальном стволе, дугообразная опорная планка каркаса деформируется по всей длине, обеспечивая при этом минимальную жесткость. При бурении искривленного ствола, радиальные нагрузки на каркас центратора возрастают, соответственно возрастает и деформация опорных планок каркаса. Тогда в работу вступают упоры, которые отсекают периферийные участки опорных планок, обеспечивая деформацию только центральной части. Деформируемая длина планки резко сокращается, а жесткость - соответственно возрастает. Жесткостная характеристика упругого центратора становится ступенчатой и состоит из двух линейных участков с малым углом наклона на начальном участке при спуско-подъемных операциях и с большим углом наклона при бурении искривленных и горизонтальных участков ствола скважины.

На фиг. 1 изображен упругий центратор с упорами на составной радиальной опоре; на фиг. 2 то же, вариант; на фиг. 3 упругий центратор с упорами на опорных планках; на фиг. 4 сечение А-А на фиг. 3; на фиг. 5 жесткая характеристика, упругого центратора.

Упругий центратор содержит ствол 1, установленный на нем с помощью радиальных опор 2 и 3 и распорной втулки 4 каркас 5. Последний имеет дугообразные опорные планки 6. На стволе 1 закреплен переводник 7, который удерживает от осевого перемещения кольцо 8, выполняющее функцию торцовой опоры скольжения для каркаса 5. Упоры, ограничивающие прогиб дугообразных опорных планок 6, могут представлять собой пару колец 9, размещенных на стволе 1 между торцами радиальных опор 2 и 3 и распорной втулки 4 (см. фиг. 1), или кольцевые выступы 10 на распорной втулке 4 (см. фиг. 2) или упоры на внутренней поверхности опорных планок (см. фиг. 3), например, в виде пары съемных упоров 11, цилиндрический выступ 12 которых расположен в ответном отверстии на опорной планке 6.

Упругий центратор работает следующим образом.

При спуске инструмента в вертикальную скважину опорные планки 6 каркаса 5 деформируются по всей длине, благодаря чему их жесткость на изгиб невелика (фиг. 5), поэтому веса инструмента достаточно для обеспечения его надежного спуска.

При бурении искривленного участка ствола скважины на каркас 5 действуют значительные радиальные усилия, что приводит к увеличению деформации опорных планок 6. При этом упоры начинают контактировать с ответной поверхностью, например, кольца 9 и кольцевые выступы 10 с опорными планками 6, а упоры 12 на опорных планках 6 с распорной втулкой 4. Благодаря этому, часть длины опорных планок 6, а точнее от концов последних до точки контакта с упорами отсекается и далее будет деформироваться только центральная часть опорных планок 6, что приводит к резкому увеличению их жесткости на изгиб (фиг. 5). Величину рабочей жесткости можно регулировать путем изменения длины деформируемой центральной части опорных планок 6, т.е. изменяя расстояние между упорами.

При спуске в скважину, за счет деформации опорных планок 6 каркаса 5, длина последнего увеличивается, он передвигается по оси до упора верхнего торца в кольцо 8. Во время бурения каркас 5 не вращается относительно стенок ствола скважины, т.к. заторможен его упругими опорными планками 6. Ствол 1, соединяемый верхним концом с бурильной колонной, а нижним с долотом, вращается в радиальных опорах 2 и 3 каркаса 5, скользя кольцом 8 по верхнему торцу каркаса 5. В процессе углубления скважины, каркас 5 упругого центратора перемещается поступательно вдоль оси скважины. Обладая значительной жесткостью на изгиб, опорные планки 6 каркаса 5 обеспечивают удержание оси долота в центре ствола скважины даже при искривлении ствола.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в компоновке низа бурильной колонны при бурении нефтяных и газовых скважин. Упругий центратор содержит ствол, установленный на нем с помощью радиальных опор и распорной втулки каркас, имеющий дугообразные опорные планки. Для ограничения прогиба последних служат упоры, которые могут быть выполнены в виде колец, расположенных между торцами радиальных опор и распорной втулки, или в виде кольцевых выступов на распорной втулке. Упоры могут располагаться на внутренней поверхности опорных планок и быть съемными. При спуске инструмента в скважину опорные планки каркаса деформируются по всей длине, поэтому их жесткость на изгиб невелика. При бурении искривленного ствола скважины деформируются только центральные части опорных планок - между упорами, что приводит к резкому увеличению их изгибной жесткости. В результате этого упругий центратор в состоянии удержать ось долота в центре ствола скважины даже в сложных условиях бурения. 5 ил.

Упругий центратор, содержащий ствол и установленный на нем с помощью радиальных опор и распорной втулки каркас с дугообразными опорными планками, отличающийся тем, что на распорной втулке выполнены упоры в виде кольцевых выступов для ограничения прогиба опорных планок.