ШАРНИРНЫЙ ОТКЛОНИТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в роторном бурении для направленного искривления скважин.

Известен шарнирный отклонитель, содержащий направляющую штангу с упругим центратором и долотом, шарнирно соединенную с утяжеленными бурильными трубами [1].

Данный отклонитель обеспечивает безориентированное искривление наклонного ствола скважины, преимущественно, в плоскости естественного искривления и не позволяет направленно изменять азимут скважины.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является шарнирный отклонитель, содержащий направляющую штангу с долотом и шарнирно соединенный с ней децентратор, состоящий из вала с верхним и нижним проводниками, подвижно установленного на нем каркаса с упругими дугообразными опорными планками и фиксатора поворота каркаса относительного вала, имеющего зуб на торце каркаса и ответный паз на нижнем переводнике [2].

Однако известный шарнирный отклонитель имеет ограниченные технологические возможности, т. к. его конструкция не обеспечивает искривления ствола скважины с малым радиусом кривизны, а спуск отклонителя в обсаженную скважину сильно осложнен, поскольку требует больших осевых усилий.

Предложенное техническое решение направлено на расширение технологических возможностей за счет обеспечения искривления ствола скважины с малым радиусом кривизны и спуска отклонителя в скважину без осложнений.

Для этого шарнирный отклонитель, содержащий направляющую штангу с долотом и шарнирно соединенный с ней децентратор, состоящий из вала с верхним и нижним переводниками, подвижно установленного на нем каркаса с упругими дугообразными опорными планками и фиксатора поворота каркаса относительно вала, имеющего зуб на торце каркаса и ответный паз на нижнем переводнике, снабжен вторым децентратором, включенным в состав направляющей штанги, при этом его ответный паз ориентирован диаметрально противоположно одноименному пазу первого децентратора.

Для искривления ствола скважины с малым радиусом кривизны необходимо обеспечить максимальный перекос вписанной в ствол направляющей штанги отклонителя. При этом о внешнюю относительно центра кривизны стенку ствола скважины должны одновременно опираться опорные планки каркаса децентратора и верхний конец направляющей штанги.

Прижатие верхнего конца направляющей штанги к стенке ствола обеспечивает первый децентратор, за счет упругих сил деформированных опорных планок его каркаса. Максимальный перекос направляющей штанги создается благодаря тому, что опорные планки каркаса второго децентратора устанавливают в диаметрально противоположном положении относительно одноименных опорных планок первого децентратора, используя соответствующую ориентацию пазов фиксаторов поворота каркаса указанных децентраторов. Плоскости действия каркасов при этом совмещают, задавая таким образом плоскость действия отклонителя.

При спуске отклонителя в скважину, он устанавливается в "транспортном" положение, когда опорные планки каркасов первого и второго децентраторов расположены по одну сторону от оси. В этом положении, при небольшом перегибе в шарнирном соединении, отклонитель относительно легко вписывается в ствол скважины номинального диаметра.

Таким образом, наличие в составе направляющей штанги децентратора с подвижным каркасом позволяет обеспечить спуск в скважину без осложнений шарнирного отклонителя при односторонней ориентации каркасов обоих децентраторов и искривление ствола скважины с малым радиусом кривизны при противоположной ориентации упомянутых каркасов за счет соответствующей ориентации ответных пазов их фиксаторов.

На фиг. 1 изображен шарнирный отклонитель при спуске в скважину; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - шарнирный отклонитель при ориентировании в скважине; на фиг. 4 - искривление ствола шарнирным отклонителем; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 4.

Шарнирный отклонитель содержит направляющую штангу 1 с долотом 2, шарнирно соединенную с помощью муфты 3 с децентратором 4. Последний включает вал 5 с верхним переводником 6 и нижним переводником 7, подвижно установленный на валу 5 каркас 8 с двумя упругими дугообразными опорными планками 9. Фиксатор в виде зуба 10 на торце каркаса 8 и ответного паза 11 на нижнем переводнике 7 обеспечивает фиксацию каркаса 8 от поворота относительно вала 5 в нижнем положении каркаса 8. В верхнем положении торец последнего контактирует с осевой опорой скольжения 12. В состав направляющей штанги 1 включен второй децентратор 13 с соответствующими валом 14, верхним и нижним переводниками 15 и 16, каркасом 17 с упругими дугообразными опорными планками 18, зубом 19 и ответным пазом 20 на нижнем переводнике 16. Причем паз 20 децентратора 13 (фиг. 2) ориентирован диаметрально противоположно пазу 11 децентратора 4. Над торцом каркаса 17 расположена осевая опора скольжения 21.

Габаритный диаметр D_к по упругим дугообразным опорным планкам 9 и 18, соответственно каркасов 8 и 17, в свободном состоянии составляет (1,15 - 1,3) диаметра долота 2.

Верхний переводник 6 децентратора 4 соединен с бурильной колонной 22.

Шарнирный отклонитель работает следующим образом.

Перед спуском отклонителя в скважину его переводят в "транспортное" положение, для чего опорные планки 9 и 18 каркасов 8 и 17 соответственно, устанавливают по одну сторону от оси (фиг. 1). В таком положении, при спуске происходит небольшой перегиб отклонителя в шарнирной муфте 3 и он без особых осевых усилий проходит в ствол скважины номинального диаметра.

Для ориентирования плоскости действия отклонителя в заданном азимуте искривления ствола скважины, отклонитель опускают на забой скважины. Затем, приподнимают над забоем бурильную колонну 22 с одновременным ее вращением вправо ротором буровой установки. При этом нижние переводники 7 и 16 смещаются к торцам каркасов 8 и 17 децентраторов 4 и 13, благодаря трению о стенки скважины соответствующих упругих дугообразных опорных планок 9 и 18. В результате подъема и вращения бурильной колонны 22, паз 11 нижнего переводника 7 входит в зацепление с зубом 10 на торце каркаса 8, а паз 20 нижнего переводника 16 - с зубом 19 на торце каркаса 17. Благодаря тому, что паз 20 ориентирован диаметрально противоположно пазу 11, после зацепления обеспечивается соответствующая ориентация опорных планок 9 и 18 каркасов 8 и 17 (фиг. 3), плоскости действия децентраторов 4 и 13 совмещаются, определяя плоскость действия отклонителя. Опорные планки 9 каркаса 8 ориентируют в заданном азимуте по показаниям включенной в бурильную колонну 22 телесистемы (не показана). После установки плоскости действия отклонителя, долото 2 опускают на забой скважины, при этом зуб 10 каркаса 8 выходит из зацепления с пазом 11 нижнего переводника 7, зуб 19 каркаса 17 - из зацепления с пазом 20 нижнего переводника 16, а каркасы 8 и 17 опираются соответственно на осевые опоры 12 и 21.

При бурении с вращением долота 2 ротором буровой установки, верхний конец направляющей штанги 1 отжимается к стенке ствола, противоположной заданному направлению искривления, деформированными опорными планками 9 децентратора 4. Верхние торцы не вращающихся каркасов 8 и 17 взаимодействуют с соответствующими вращающимися верхними переводниками 6 и 15 валов 5 и 14 через осевые опоры скольжения 12 и 21. При углублении скважины каркасы 8 и 17 не вращаются, т.к. заторможены силами трения взаимодействующих со стенками ствола деформированных опорных планок 9 и 18, а момент сил трения в опорах скольжения 12 и 21 существенно меньше момента названных сил трения.

При углублении ствола скважины, заторможенные от вращения каркасы 8 и 17 под действием осевой нагрузки перемещаются вниз вдоль оси скважины, сохраняя заданную ориентацию плоскости действия.

Отклоняющее усилие на долоте 2, обеспечивающее искривление ствола скважины, создают упругие силы деформированных опорных планок 18 децентратора 13, расположенного на направляющей штанге 1. Величина этого усилия определяется жесткостью указанных планок и величиной их деформации.

Радиус R искривления ствола скважины зависит от геометрических размеров направляющей штанги 1 и фактического диаметра скважины, а его минимальная величина определяется условиями вписываемости направляющей штанги 1 в искривленный ствол скважины.

Радиус R определяют из соотношения:
R = L²/8(D-d),
где L - длина направляющей штанги, м;
D - диаметр долота, м;
d - диаметр направляющей штанги, м.

Таким образом, в роторном бурении данный шарнирный отклонитель позволяет обеспечить направленное искривление ствола скважины с малым радиусом кривизны порядка 10-15 метров. Это актуально, например, при вскрытии тонкого продуктивного пласта с помощью горизонтального ствола или при бурении нескольких горизонтальных стволов из одного вертикального.

Источники информации
1. Поташников В.Д. Бурение наклонно направленных скважин с применением шарнирных компоновок. М.: ВНИИОЭНГ, 1988, с. 33, рис. 8.3.

2. RU, патент N 2055974, кл. E 21 B 7/08, 1993.9

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в роторном бурении для направленного искривления скважин. Шарнирный отклонитель содержит направляющую штангу с долотом и шарнирно соединенный с ней децентратор, состоящий из вала с верхним и нижним переводниками, подвижно установленного на нем каркаса с упругими дугообразными опорными планками и фиксатора поворота каркаса относительно вала, имеющего зуб на торце каркаса и ответный паз на нижнем переводнике. В состав направляющей штанги включен второй децентратор, при этом его ответный паз ориентирован диаметрально противоположно одноименному пазу первого децентратора. Данное техническое решение позволяет достичь расширения технологических возможностей за счет обеспечения искривления ствола скважины с малым радиусом кривизны и спуска отклонителя в скважину без осложнений. 6 ил.

Шарнирный отклонитель, содержащий направляющую штангу с долотом и шарнирно соединенный с ней децентратор, состоящий из вала с верхним и нижним переводниками, подвижно установленного на нем каркаса с упругими дугообразными опорными планками и фиксатора поворота каркаса относительно вала, имеющего зуб на торце каркаса и ответный паз на нижнем переводнике, отличающийся тем, что он снабжен вторым децентратором, включенным в состав направляющей штанги, при этом его ответный паз ориентирован диаметрально-противоположно одноименному пазу первого децентратора.