ОТКЛОНИТЕЛЬ С РЕГУЛИРУЕМЫМ УГЛОМ ИСКРИВЛЕНИЯ ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН Российский патент 1998 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к технике бурения, в частности к отклонителям забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин.

Известен отклонитель бурового инструмента для бурения наклонных скважин с использованием забойных двигателей (авт. св. N 1609931, кл. E 21 B 7/08, 1988), состоящий из центральной трубчатой секции, жестко связанных с ней под острым углом искривленных переводников, узла изменения углового положения одного из переводников и узла взаимного ориентирования переводников. Узел изменения углового положения переводников выполнен в виде двух патрубков, связанных между собой шлицевым соединением, ось которого наклонена под одним углом к оси каждого патрубка. Патрубки жестко связаны с центральной трубчатой секцией и переводником. Для изменения углового положения переводников по отношению к центральной трубчатой секции шлицевое соединение рассоединяется, патрубки поворачиваются один относительно другого и новое угловое положение переводников фиксируется шлицевым соединением. Для приведения в одну плоскость осей центральной трубчатой секции и переводников используется узел взаимного ориентирования переводников, который также выполнен в виде двух патрубков, связанных между собой шлицевым соединением.

Недостатком известного отклонителя является то, что для изменения угла искривления требуется провести практически полную разборку устройства, изменить угловое положение переводников и произвести их взаимное ориентирование, что весьма трудоемко.

Кроме того, значительные габариты отклонителя в осевом направлении исключают возможность интенсивного набора кривизны скважины и, с другой стороны, делают невозможным размещение отклонителя между двигательной и опорной секциями забойного двигателя, что в ряде случаев необходимо для решения технологических задач бурения направленных скважин.

Известен также регулируемый кривой переводник для направленного бурения - скважин (патент США N 4 745 962, НКИ 175-74, 1988). Переводник устанавливается между двигательной и опорной секциями забойного двигателя и содержит искривленный сердечник, кривой корпус, втулку и гайки. Сердечник и втулка сопряжены посредством шпоночного соединения. На торцах корпуса и втулки выполнены торцовые зубья, образующие кулачковую муфту. Для изменения угла искривления регулируемого переводника отворачивают первую гайку, затягивающую втулку на сердечнике, осевым перемещением втулки размыкают сопряженные элементы кулачковой муфты, поворотом кривого корпуса устанавливают требуемый угол искривления и навинчиванием гайки затягивают кулачковую муфту.

Недостатком известного регулируемого переводника является то, что оси искривленных резьб сердечника и кривого корпуса не пересекают основную ось регулируемого переводника в одной точке, в результате чего при установке регулируемого переводника на нулевой угол искривления имеет место радиальное смещение (несоосность) элементов забойного двигателя, расположенных выше и ниже регулируемого переводника. Вследствие этого при создании осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент (долото) в нижней части бурильной колонны появляется изгибающий момент, приводящий к искривлению скважины даже при нулевом угле регулирования отклонителя.

Наиболее близким к изобретению является отклонитель с регулируемым углом искривления для направленного бурения скважин (патент США N 5101915, кл E 21 B 7/08, 7.04.92).

Известный отклонитель содержит верхний и нижний искривленные переводники с внутренними цилиндрическими резьбами и муфту, соединяющую верхний и нижний искривленные переводники посредством цилиндрических резьб. На наружной поверхности муфты между торцами искривленных переводников установлена втулка, сопряженная с муфтой посредством шпоночного соединения. Указанная втулка имеет на нижнем торце зубья, взаимодействующие с зубьями, выполненными на торце резьбовой части нижнего искривленного переводника. Сопряжение торцев резьбовой части верхнего искривленного переводника и втулки выполнено гладким, без зубьев.

Регулирование угла искривления отклонителя осуществляют следующим образом: отворачивают верхний искривленный переводник на длину захода зубьев втулки и нижнего искривленного переводника; осевым перемещением втулки по муфте вверх производят разъединение торцовых зубьев; нижний искривленный переводник поворачивают на угол, кратный шагу зубьев; производят свинчивание резьб верхнего искривленного переводника и муфты.

Недостатком известного отклонителя при его использовании в составе забойного двигателя является то, что в процессе бурения скважины возникает возможность отворота цилиндрической резьбы, соединяющей верхний искривленный переводник и муфту. Например, если произошло заклинивание вала опорного узла забойного двигателя, то весь крутящий момент двигателя направлен на отворот этой резьбы, что может привести к аварийной ситуации с оставлением забойного двигателя в скважине. При этом возможно также раскрепление резьбового соединения под действием забойных вибраций.

Еще одним недостатком известного отклонителя является то, что осевое перемещение втулки по шпоночному соединению с муфтой может быть затруднено из-за попадания шлама в зазор между втулкой и муфтой или из-за смятия рабочих поверхностей шпоночного соединения, что снижает надежность отклонителя.

Другим недостатком известного отклонителя является то, что оси искривленных резьб переводников пересекаются с осью муфты не в одной точке, а на некотором расстоянии. В результате этого при регулировке отклонителя на нулевой угол возникает эффект двойного искривления, когда оси искривленных резьб переводников становятся параллельными друг другу, но смещены одна относительно другой. Вследствие этого даже при нулевом угле установки отклонителя невозможно обеспечить бурение прямолинейного участка скважины из-за эксцентричного расположения нижней части двигателя и долота по отношению к той части бурильной колонны, которая расположена выше отклонителя. Эффект двойного искривления не влияет на поведение отклонителя только при настройке на максимальный угол искривления, когда оси искривленных резьб переводников находятся в одной плоскости. При всех других значениях угла установки оси искривленных резьб переводников не лежат в одной плоскости, а являются скрещивающимися в пространстве прямыми, в результате чего плоскость действия отклонителя не определяется с достаточной точностью, что затрудняет управление траекторией ствола скважины.

Задача изобретения - устранение недостатков известного отклонителя, повышение надежности использования отклонителя в бурении, улучшение управляемости процессом направленного бурения скважины.

Это достигается тем, что в предлагаемом отклонителе с регулируемым углом искривления для направленного бурения скважин, содержащем верхний искривленный переводник, нижний искривленный переводник, на торце резьбовой части которого выполнены зубья, и муфту, соединяющую эти переводники посредством резьб, согласно изобретению резьбовые соединения муфты с верхним и нижним искривленными переводниками имеют противоположные направления нарезки, а на нижнем торце резьбовой части верхнего искривленного переводника выполнены зубья для взаимодействия с зубьями нижнего искривленного переводника.

Другим отличием изобретения является то, что резьбовое соединение муфты с верхним искривленным переводником выполнено с правым направлением нарезки.

Еще одним отличием изобретения является то, что расстояние между точками пересечения осей искривленных резьб переводников с осью резьб муфты не превышает половины шага резьбового соединения муфты с нижним искривленным переводником.

Поскольку резьбовые соединения муфты с верхним и нижним искривленными переводниками имеют противоположные направления нарезки, то при вращении (отвороте или завороте) муфты в процессе регулировки отклонителя происходит относительное осевое перемещение верхнего и нижнего переводников и автоматическое рассоединение или соединение их зубьев, что упрощает процесс регулировки и повышает надежность отклонителя.

Наличие взаимодействующих зубьев на торцах верхнего и нижнего переводников исключает возможность относительного углового перемещения переводников при передаче через отклонитель крутящего момента, за счет чего предотвращаются аварийные ситуации и повышается надежность отклонителя.

Выполнение резьбового соединения муфты и верхнего переводника с правым направлением нарезки позволяет осуществлять вращение бурильной колонны с поверхности без риска отворота этого соединения под действием момента трения муфты о стенки скважины.

Искривленные резьбы верхнего и нижнего переводников выполнены так, что расстояние между точками пересечения осей искривленных резьб с осью резьб муфты не превышает половины шага резьбового соединения муфты с нижним искривленным переводником. При этом оси искривленных резьб переводников лежат в одной плоскости, совпадающей с плоскостью искривления отклонителя, что улучшает управляемость процессом направленного бурения скважины.

На чертеже показан отклонитель с регулируемым углом искривления в продольном разрезе.

Отклонитель содержит верхний искривленный переводник 1, нижний искривленный переводник 2 и соединяющую эти переводники резьбовую муфту 3. Верхний искривленный переводник 1 имеет две наружных конических резьбы правого направления: верхнюю резьбу 4, к которой присоединен статор двигательной секции забойного двигателя (на чертеже статор не показан), и нижнюю резьбу 5, на конце которой выполнены торцовые зубья 6. Ось O₁M верхней резьбы 4 переводника 1 расположена под углом по отношению к оси OO его нижней резьбы 5, и пересекается с осью ОО в точке М. Нижний искривленный переводник 2 имеет две наружных резьбы: верхнюю левую цилиндрическую резьбу 7 и нижнюю правую коническую резьбу 8, к которой присоединен корпус опорного узла забойного двигателя (не показан). Ось O₂М нижней резьбы 8 переводника 2 направлена под углом по отношению к оси ОО верхней резьбы 7 и пересекается с осью ОО в точке М. На торце резьбовой части нижнего переводника 2 выполнены зубья 9, которые образуют зубчатое соединение с торцовыми зубьями 6 верхнего переводника 1. Для улучшения базирования цилиндрической резьбы 7 на нижнем переводнике 2 выполнены центрирующие пояски 10 и 11, взаимодействующие с соответствующими расточками верхнего переводника 1 и муфты 3.

Муфта 3 имеет две внутренних резьбы разного направления с общей осью OO: правую коническую резьбу 5 для соединения с верхним переводником 1 и левую цилиндрическую резьбу 7 для соединения с нижним переводником 2.

Отклонитель устанавливается между двигательной и опорной секциями забойного двигателя, предпочтительно, винтового гидравлического двигателя. Верхний переводник 1 присоединяется к статору винтового двигателя, а нижний переводник 2 - к корпусу опорного узла (шпинделя) двигателя. Внутри отклонителя проходит карданный вал, соединяющий ротор двигателя с валом опорного узла (на рисунке карданный вал не показан).

Установка требуемого угла искривления регулируемого отклонителя осуществляется в следующем порядке. При зафиксированных от поворота переводниках 1 и 2 вращением муфты 3 по часовой стрелке (если смотреть со стороны верхнего переводника) раскрепляют резьбы 5 и 7 отклонителя. За один оборот муфты происходит осевое перемещение переводника 1 вверх относительно муфты на величину шага S₁ конической резьбы 5, а нижний переводник 2 перемещается вниз относительно муфты на величину шага S₂ цилиндрической резьбы 7. Элементы зубчатого соединения переводников 1 и 2 при этом перемещаются на величину S ₁ + S₂. Муфту вращают до тех пор, пока не произойдет рассоединение зубьев 6 верхнего переводника 1 и зубьев 9 нижнего переводника 2. Затем производят относительный проворот переводников 1 и 2 для установки требуемого угла искривления отклонителя. После этого вращением муфты 3 против часовой стрелки при зафиксированных от поворота переводниках 1 и 2 осуществляют завинчивание их резьб с одновременным осевым перемещением переводников 1 и 2 и вводом в зацепление зубьев 6 и 9 их зубчатого соединения, которое обеспечивает фиксацию точного взаимного углового расположения переводников 1 и 2 и предотвращает отворот резьб 5 и 7 отклонителя под действием забойных моментных нагрузок и вибраций.

Угол искривления отклонителя может регулироваться в пределах от величины γ₁+γ₂ до величины γ₁-γ₂. Если γ₁=γ₂, то минимальный угол искривления равен нулю, а максимальный равен 2γ₁. При максимальном угле регулирования оси искривленных резьб 4 и 8 пересекаются с осью ОО резьб муфты 3 в одной точке М. При настройке на любой другой угол оси искривленных резьб пересекаются с осью ОО в несовпадающих между собой точках, расстояние между которыми соответствует изменению величины захода зубьев 6 и 9 зубчатого соединения переводников 1 и 2 и не превышает половины шага цилиндрической резьбы 7.

Использование: направленное бурение нефтяных и газовых скважин. Сущность изобретения: отклонитель содержит два искривленных переводника и соединяющую их резьбовую муфту. Обращенные друг к другу торцы искривленных переводников снабжены торцевыми зубьями, образующими зубчатое соединение. Муфта соединена с верхним искривленным переводником посредством конической резьбы, а с нижним переводником - посредством цилиндрической резьбы, причем эти резьбы имеют противоположные направления нарезки. Оси искривленных резьб верхнего и нижнего переводников пересекаются с осью резьб муфты в одной точке. Отклонитель обеспечивает повышенную надежность и безопасность, а также улучшение управляемости процессом направленного бурения скважин. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Отклонитель с регулируемым углом искривления для направленного бурения скважин, содержащий верхний искривленный переводник, нижний искривленный переводник, на торце резьбовой части которого выполнены зубья, и муфту, соединяющую верхний и нижний искривленные переводники посредством резьб, отличающийся тем, что резьбовые соединения муфты с верхним и нижним искривленными переводниками имеют противоположные направления нарезки, а на нижнем торце резьбовой части верхнего искривленного переводника выполнены зубья для взаимодействия с зубьями нижнего искривленного переводника. 2. Отклонитель по п.1, отличающийся тем, что резьбовое соединение муфты с верхним переводником выполнено с правым направлением нарезки. 3. Отклонитель по п.1, отличающийся тем, что расстояние между точками пересечения осей искривленных резьб переводников с осью резьб муфты не превышает половины шага резьбового соединения муфты с нижним искривленным переводником.