РЕГУЛИРУЕМОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН Российский патент 2006 года по МПК E21B7/08 

Регулируемое устройство для направленного бурения скважин относится к буровой технике и может быть использовано для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин, в том числе в составе винтовых забойных двигателей как их составная часть.

Известен регулируемый переводник для наклонно-направленного бурения, содержащий кривой ниппель с торцовыми зубьями на одном конце, кривой переводник и установленные на нем на скользящей шпонке зубчатая полумуфта и на цилиндрической резьбе стопорная гайка (см., например, патент США №4745982 от 24.05.88 г., М.Кл.⁴ Е 21 В 7/08).

Недостатком известного регулируемого переводника для наклонно-направленного бурения является то, что кривой ниппель с торцовыми зубьями на кривом переводнике установлен на цилиндрической поверхности с зазором, торцовые зубья кривого ниппеля сопрягаются с зубьями зубчатой полумуфты с окружными зазорами. Это создает предпосылки к расшатыванию известного регулируемого переводника для направленного бурения, ослаблению крепления и нарушению жесткости переводника и в конечном счете к самопроизвольному изменению величины угла отклонения. Все это приводит к неуправляемому изменению заданного направления бурения скважины и к необходимости выполнения дополнительных каротажных и буровых работ.

Другим недостатком известного регулируемого переводника для наклонно-направленного бурения является то, что зубчатое зацепление кривого ниппеля и зубчатой полумуфты выполнено снаружи и ничем не защищено от попадания шлама (мелких частичек выбуренной породы) в зазоры между зубьями. Мелкие частички шлама, попадая в зазоры между зубьями, там оседают, накапливаются и цементируются (затвердевают). Это вызывает необходимость проводить дополнительные ремонтные работы по очистке зубьев перед тем, как устанавливать новый заданный угол отклонения регулируемого устройства, и затрудняет установку необходимого угла отклонения.

Эти и другие недостатки известного регулируемого переводника для наклонно-направленного бурения не позволяют достичь необходимой точности проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин и не дают возможности выполнять требуемое расчетное искривление скважин при выполнении буровых работ.

Известен отклонитель с регулируемым углом искривления для направленного бурения скважин, содержащий верхний искривленный переводник, нижний искривленный переводник, на торцах которых выполнены зубья для взаимодействия и резьбовая муфта для соединения верхнего и нижнего переводников (см., например, патент РФ №2103474 от 27.01.98, Бюл. №3, М.Кл.⁶ Е 21 В 7/08).

В известном отклонителе с регулируемым углом искривления для направленного бурения скважин устранены некоторые недостатки, а именно: торцовое зубчатое зацепление защищено от попадания в него шлама. Это обеспечивает упрощение операции установки требуемого угла отклонения на отклонителе и способствует более длительной работе без ремонта.

Недостатком известного отклонителя с регулируемым углом искривления для направленного бурения скважин является то, что в нем имеется ослабленный участок нижнего искривленного переводника, обладающий пониженным моментом сопротивления на изгиб. При рабочих нагрузках в процессе бурения скважин известный отклонитель дополнительно упруго искривляется в опасном ослабленном сечении и частично искажает траекторию буримой скважины. А при повышенных и экстремальных нагрузках, связанных с бурением скважин в переходных пластах, в ослабленном сечении возникают остаточные деформации, которые приводят известный отклонитель с регулируемым углом искривления для направленного бурения скважин в негодность.

Другим недостатком известного отклонителя является то, что осевое перемещение резьбовой муфты по нижнему переводнику может быть затруднено из-за попадания мелких частиц шлама в зазор между муфтой и нижним переводником. Это снижает эксплуатационные качества известного отклонителя.

Эти и другие недостатки известного отклонителя ограничивают возможности использования его в бурении и являются препятствием для повышения точности проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Известен регулируемый искривленный переводник, содержащий кривой ниппель с уплотнениями и цилиндрическими резьбами на концах, выполненные с внешними плоскими упорными торцами и установленные на кривом ниппеле распорную втулку на шлицах, кривой переводник с входной резьбой и прямой переводник с выходной резьбой на цилиндрических резьбах, причем взаимодействующий с прямым переводником упорный торец распорной втулки скошен под углом 1,5° и центральные оси цилиндрических резьб кривого ниппеля и оси резьб кривого переводника пересекают основную ось регулируемого переводника в точках, расположенных на значительном расстоянии друг от друга (см., например, патент США №5343966 от 6.09.94 г., М.Кл.⁵ F 21 В 7/08).

В известном регулируемом искривленном переводнике устранены некоторые недостатки, присущие известным (указанным ранее) регулируемым переводникам: исключены ослабленные участки корпусных деталей, торцовые зубчатые сопряжения защищены от попадания в них мелких частичек шлама. Это создает возможность некоторого повышения жесткости и надежности известного регулируемого искривленного переводника.

Существенным недостатком известного регулируемого искривленного переводника является то, что оси резьб кривого ниппеля и кривого переводника не пересекаются в одной точке. В результате этого при установке нулевого угла искривления имеет место радиальное смещение осей входной и выходной резьб.

В связи с этим при бурении скважин и приложении осевой нагрузки на долото возникает дополнительный изгибающий момент, приводящий к непредсказуемому искривлению скважины даже при нулевом угле отклонения известного регулируемого искривленного переводника.

Кроме того, при промежуточных углах искривления от больше 0° до меньше max в известном переводнике образуются две различные плоскости искривления переводника, при изменении величины угла искривления переводника изменяющих свое взаимное расположение друг к другу. Это вызывает необходимость проводить дополнительные работы по корректировке траектории бурения скважин и снижает точность проводки скважин по заданной траектории.

Недостатком известного регулируемого искривленного переводника является то, что цилиндрические резьбы кривого ниппеля выполнены с радиальными зазорами и при знакопеременных нагрузках способны к ослаблению и расшатыванию. Это значительно уменьшает жесткость переводника и существенно влияет на точность проводки скважин, снижая ее.

Также недостатком известного регулируемого искривленного переводника является то, что распорная втулка на кривом ниппеле установлена на шлицах, позволяющих устанавливать ее с различным взаимным ориентированием. В связи с выполненным скосом в 1,5° одного из торцов распорной втулки ориентация (взаимное расположение) распорной втулки на кривом ниппеле должна быть неизменной, без возможности ее переустановки. В противном случае снижается точность проводки скважин, и нарушается герметичность соединения по внешним плоским упорным торцам.

Это усложняет изготовление деталей переводника, его сборку и эксплуатацию.

Перечисленные и другие недостатки известного регулируемого искривленного переводника не обеспечивают необходимой точности проводки скважин по заданной траектории и требуют дополнительных затрат времени, труда и средств для изготовления и приводят к необходимости выполнения дополнительных каротажных и буровых работ при использовании известного регулируемого искривленного переводника.

Наиболее близким к предлагаемому регулируемому устройству для направленного бурения скважин является устройство для направленного бурения, содержащее кривой ниппель с уплотнениями и коническими резьбами на концах, выполненные с внешними плоскими упорными торцами для взаимодействия по ним и установленные на кривом ниппеле с возможностью осевого перемещения распорную втулку на скользящей шпонке, кривой переводник с входной резьбой и прямой переводник с выходной резьбой на конических резьбах, выполненных с натягом, причем взаимодействующий с прямым переводником плоский упорный торец распорной втулки скошен под углом α° в сторону искривления кривого ниппеля и центральные оси резьб кривого ниппеля и кривого переводника в каждом пересекаются под углом α° (см., например, патент РФ №2115792 от 20.07.98 г., Бюл. №20, М. Кл.⁶ Е 21 В 7/08).

Указанное техническое решение принято за прототип. В известном устройстве для направленного бурения в связи с натягом в конических резьбах кривого ниппеля и кривого и прямого переводников исключены зазоры-источники возможного ослабления и расшатывания резьбовых сопряжений и возможного уменьшения жесткости устройства. В прототипе используется конструкция устройства, не имеющая ослабленных участков на корпусных деталях; при максимальном и нулевом угле отклонения известного устройства для направленного бурения плоскость его искривления одна, и в связи с этим не требуется введения корректировки траектории скважины при бурении.

Таким образом, в прототипе ликвидированы некоторые известные недостатки выше указанных аналогов и созданы условия для повышения точности проводки скважин.

Недостатком известного устройства для направленного бурения является то, что осевое перемещение кривого и прямого переводников по кривому ниппелю при установке необходимого угла искривления ничем не ограничено, и не исключена возможность излишнего осевого перемещения, приводящего к запредельному возрастанию напряжений при креплении (затяжке) конических резьб, затрудняющему установку необходимого угла искривления непосредственно на буровой.

Кроме того, запредельное возрастание напряжений при креплении конических резьб может привести к разрушению упорного торца переводников и приведению в негодность всего известного устройства для направленного бурения.

Распорная втулка со скошенным упорным торцом под углом α° не всегда выполняется сориентированной строго с плоскостью искривления кривого ниппеля. Это вызывает некоторое рассогласование во взаимодействии внешних плоских упорных торцов распорной втулки и прямого переводника, и требуются дополнительные усилия затяжки упорных торцов, чтобы обеспечить герметичность сопряжений по торцам.

Недостатком известного устройства для направленного бурения является то, что реализация возможности повышения точности проводки скважин затруднена из-за неопределенности взаимного расположения точек пересечения центральных осей конических резьб кривого ниппеля и кривого переводника. Эта неопределенность возникает из-за возможного образования двух различных плоскостей искривления известного устройства, отрицательно влияющих на точность проводки скважин по заданной траектории.

Также недостатком известного устройства для направленного бурения является то, что не гарантируется неизменность величины угла отклонения при резких изменениях крутящего момента, передаваемого устройством и связанного с изменениями условий бурения, например при переходе в пласты с другими механическими свойствами, при аварийных остановках бурения и т.п.

Эти и другие недостатки известного устройства для направленного бурения не дают возможности выполнять требуемое расчетное искривление скважин при выполнении буровых работ без дополнительных затрат времени труда и средств и не позволяют достичь необходимой точности проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Задачами предлагаемого изобретения являются устранение имеющихся недостатков известного устройства для направленного бурения и снижение вероятности запредельного повышения напряжений в конических резьбовых сопряжениях, исключение возможности преждевременного разрушения деталей, сохранение возможности оптимального использования натяга в резьбовых соединениях деталей, обеспечение возможности надежной фиксации заданного установленного угла отклонения, повышение точности проводки скважин, повышение жесткости и надежности регулируемого устройства для направленного бурения скважин.

Поставленные задачи решаются за счет того, что предлагаемое регулируемое устройство для направленного бурения скважин, содержащее кривой ниппель с уплотнениями и регулировочной и крепежной коническими резьбами на концах, выполненные с внешними плоскими упорными торцами для взаимодействия по ним и установленные на кривом ниппеле с возможностью осевого перемещения на скользящих шпонках распорную втулку с прямым и со скошенным под углом α° упорными торцами, на регулировочной резьбе - кривой переводник с выполненной входной резьбой и на крепежной резьбе - прямой переводник с выполненной выходной резьбой, причем сопряжения регулировочной и крепежной конических резьб выполнены с натягом и центральные оси резьб кривого ниппеля и кривого переводника в каждом пересекаются под углом α°, согласно изобретению содержит регулировочные упорные кольца, плотно установленные в переводниках для установки гарантированного предела изменения величины угла отклонения устройства и периодического взаимодействия с выполненными на кривом ниппеле упорными торцами при предельных углах отклонения устройства, и плоскость симметрии распорной втулки совмещена с плоскостью искривления кривого ниппеля;

- искривление кривого ниппеля выполнено в виде радиального смещения и поворота на угол α° центральной оси крепежной конической резьбы относительно центральной оси кривого ниппеля, причем величина радиального смещения центральной оси крепежной конической резьбы прямо пропорциональна осевой длине распорной втулки и тангенсу угла α° взаимного наклона центральных осей регулировочной и крепежной конических резьб кривого ниппеля;

- при максимальном угле отклонения устройства плоскости искривления кривого ниппеля и кривого переводника и точки пересечения центральных осей их резьб совмещены, в сопряжении регулировочной конической резьбы выполнен максимальный допустимый натяг, упорный торец кривого ниппеля плотно прижат к регулировочному упорному кольцу, установленному в кривом переводнике, а при нулевом угле отклонения устройства центральные оси входной резьбы кривого переводника и крепежной конической резьбы кривого ниппеля в своем продолжении совпадают, в сопряжении крепежной конической резьбы выполнен максимальный допустимый натяг и упорный торец кривого ниппеля плотно прижат к регулировочному упорному кольцу, установленному в прямом переводнике;

- суммарная величина зазоров между упорными торцами кривого ниппеля и свободными торцами регулировочных упорных колец, установленных в переводники, выполнена не более половины шага регулировочной конической резьбы;

- на смежных торцах распорной втулки и кривого переводника помимо внешних плоских упорных торцов выполнены дополнительно внутренние венцы с торцовыми зубьями для взаимодействия между собой.

В результате того, что предлагаемое регулируемое устройство для направленного бурения скважин содержит регулировочные упорные кольца, плотно установленные в переводниках для установки гарантированного предела изменения величины угла отклонения устройства и периодического взаимодействия с выполненными на кривом ниппеле упорными торцами при предельных углах отклонения устройства, и плоскость симметрии распорной втулки совмещена с плоскостью искривления кривого ниппеля, достигается возможность устанавливать необходимые пределы возможного осевого перемещения и взаимного поворота кривого переводника на кривом ниппеле для того, чтобы задавать величину угла отклонения устройства, связанного с взаимным пространственным расположением плоскостей искривления как кривого ниппеля, так и кривого переводника, совместно образующим одну общую плоскость искривления устройства при каждой величине угла искривления в заданных пределах.

Кроме того, достигается возможность наилучшим образом использовать создаваемый в конических резьбовых сопряжениях натяг для обеспечения максимальной возможной жесткости предлагаемого регулируемого устройства для направленного бурения скважин.

Также создаются благоприятные условия для повышения точности проводки скважин за счет снижения вероятных ошибок изготовления и сборки регулируемого устройства для направленного бурения скважин.

Таким образом достигается и реализуется возможность снижения напряжений в конических резьбовых сопряжениях, исключается возможность преждевременного разрушения деталей, сохраняется возможность оптимального использования натяга в резьбовых соединениях деталей, позволяющие предлагаемому устройству повысить точность проводки скважин и сохранить его в работоспособном состоянии на более длительный период.

В связи с тем, что в предлагаемом регулируемом устройстве для направленного бурения скважин искривление кривого ниппеля выполнено в виде радиального смещения и поворота на угол α° центральной оси крепежной конической резьбы относительно центральной оси кривого ниппеля, причем величина радиального смещения центральной оси крепежной конической резьбы прямо пропорциональна осевой длине распорной втулки и тангенсу угла α° взаимного наклона центральных осей регулировочной и крепежной конических резьб кривого ниппеля, достигается возможность точку пересечения центральных осей резьб кривого ниппеля приблизить к точке пересечения центральных осей резьб кривого переводника и тем самым уменьшить возможную неконтролируемую ошибку, вызываемую действием двойного искривления устройства (по двум различным плоскостям), и устранить причину возможного снижения точности проводки скважин по заданной траектории. Это повысит точность направленного бурения скважин.

В результате того, что в предлагаемом регулируемом устройстве для направленного бурения скважин при максимальном угле отклонения устройства плоскости искривления кривого ниппеля и кривого переводника и точки пересечения центральных осей их резьб совмещены, в сопряжении регулировочной конической резьбы выполнен максимальный допустимый натяг, упорный торец кривого ниппеля плотно прижат к регулировочному упорному кольцу, установленному в кривом переводнике, а при нулевом угле отклонения устройства центральные оси входной резьбы кривого переводника и крепежной конической резьбы кривого ниппеля в своем продолжении совпадают, в сопряжении крепежной конической резьбы выполнен максимальный допустимый натяг и упорный торец кривого ниппеля плотно прижат к регулировочному упорному кольцу, установленному в прямом переводнике, достигается возможность образования единой плоскости искривления устройства, исключающей ошибку двойного неконтролируемого искривления, обеспечения повышенной жесткости устройства при максимальных нагрузках, связанных с максимальным углом отклонения устройства путем более рационального использования натяга в резьбовом сопряжении регулировочной конической резьбы, и двойного упора по наружным и внутренним торцам, исключения перенапряжений в резьбовых сопряжениях в связи с ограничением осевого взаимного перемещения кривого ниппеля в кривом переводнике. Это способствует повышению точности проводки скважин по заданному направлению и сохранению регулируемого устройства для направленного бурения скважин на более длительный срок в работоспособном состоянии.

В результате того, что в предлагаемом регулируемом устройстве для направленного бурения скважин суммарная величина зазоров между упорными торцами кривого ниппеля и свободными торцами регулировочных упорных колец, установленных в переводники, выполнена не более половины шага регулировочной конической резьбы, достигается возможность осуществления полного цикла изменения величины угла отклонения устройства, и устанавливается гарантированный интервал величины натяга в конических резьбовых сопряжениях кривого ниппеля, обеспечивающего надежную работу регулируемого устройства для направленного бурения скважин при каждом угле отклонения в установленном пределе. Увеличение этого предела может привести к неконтролируемому самопроизвольному изменению траектории бурения скважины из-за ослабления натяга и появления радиальных зазоров в конических резьбовых сопряжениях или к запредельному повышению натяга в них и последующему преждевременному разрушению деталей. А это неприемлемо.

Таким образом, обеспечивается сохранение возможности оптимального использования натяга, создаваемого в резьбовых соединениях деталей для повышения жесткости и надежности при каждом установленном угле отклонения предлагаемого устройства.

В результате того, что в предлагаемом регулируемом устройстве для направленного бурения скважин на смежных торцах распорной втулки и кривого переводника помимо внешних плоских упорных торцов выполнены дополнительно внутренние венцы с торцовыми зубьями для взаимодействия между собой, достигается возможность сохранения установленного угла искривления устройства при передаче запредельных крутящих моментов силы, вызванных резкими остановками вращения, переходами из одного пласта породы в другой, более вязкий, аварийными ситуациями, обеспечивается более высокая точность проводки скважин по заданному направлению и снижается вероятность запредельного повышения напряжений в конических резьбовых сопряжениях.

Таким образом, реализация отличительных признаков в совокупности с известными в предлагаемом регулируемом устройстве для направленного бурения скважин создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному устройству для направленного бурения, и обеспечить снижение вероятности запредельного повышения напряжений в конических резьбовых сопряжениях, исключение возможности преждевременного разрушения деталей, сохранение возможности оптимального использования натяга в конических резьбовых соединениях деталей для повышения жесткости устройства при каждом угле отклонения, обеспечение возможности надежной фиксации положения каждого установленного угла отклонения устройства, повышения жесткости, надежности и долговечности предлагаемого регулируемого устройства для направленного бурения скважин, обеспечивающих повышение точности проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин по расчетным траекториям.

Для пояснения сущности предлагаемого изобретения представлены чертежи.

На фиг.1 показано регулируемое устройство для направленного бурения скважин. Общий вид. Продольный разрез в положении наибольшего угла искривления. Штрихпунктирными линиями показано положение нулевого отклонения устройства.

На фиг.2 изображена схема расположения центральных осей конических резьб регулируемого устройства для направленного бурения скважин. Величина углов отклонения устройства условно увеличена. Заштрихована одна из возможных плоскостей искривления устройства.

На фиг.3 показано расположение различных возможных плоскостей искривления регулируемого устройства для направленного бурения скважин при повороте кривого ниппеля в кривом переводнике на один зуб внутреннего венца с торцовыми зубьями. Количество зубьев на каждом венце принято равным 24. Вид Б на фиг.2.

На фиг.4 показано регулируемое устройство для направленного бурения скважин. Поперечный разрез по "А-А" на фиг.1.

Регулируемое устройство для направленного бурения скважин содержит кривой ниппель 1 с уплотнениями 2 и регулировочной 3 и крепежной 4 коническими резьбами на концах, кривого ниппеля 1, выполненные с внешними плоскими упорными торцами для взаимодействия по ним и установленные на кривом ниппеле 1 с возможностью осевого перемещения на скользящих шпонках 5 распорную втулку 6 с прямым внешним плоским упорным торцом 7 и скошенным под углом α° другим внешним плоским упорным торцом 8. На регулировочной конической резьбе 3 кривого ниппеля 1 установлен кривой переводник 9 с выполненной входной резьбой 10 и внешним плоским упорным торцом 11. На крепежной конической резьбе 4 кривого ниппеля 1 установлен прямой переводник 12 с выполненной выходной резьбой 13 и внешним плоским упорным торцом 14. Сопряжения регулировочной конической резьбы 3 и крепежной конической резьбы 4 в соединениях кривого переводника 9 и прямого переводника 12 с кривым ниппелем 1 выполнены с натягом. Центральная ось "О₁-О" входной резьбы 13 кривого переводника 9 и центральная ось "О₃-О" его регулировочной конической резьбы пересекаются под углом α°. Центральная ось "О-О₃" регулировочной конической резьбы 3 кривого ниппеля 1 и центральная ось "О₂-О₂" его крепежной конической резьбы 4 пересекаются под углом α°. На перифериях кривого переводника 9 и на распорной втулке 6 выполнены риски с обозначением величины угла искривления устройства.

Регулировочное устройство для направленного бурения также содержит регулировочное упорное кольцо 15, плотно установленное в кривой переводник 9, и регулировочное упорное кольцо 16, плотно установленное в прямой переводник 12 для установки гарантированного предела изменения величины угла отклонения устройства и периодического взаимодействия с выполненными на кривом ниппеле 1 упорным торцом 17 или упорным торцом 18 при максимальном и минимальном углах отклонения устройства или при наибольшем или наименьшем отклонении.

В предлагаемом регулируемом устройстве для направленного бурения скважин плоскость симметрии распорной втулки 6 совмещена с плоскостью искривления кривого ниппеля 1 при каждом угле отклонения устройства. Искривление кривого ниппеля 1 выполнено в виде радиального смещения на величину "h", прямо пропорциональную осевой длине распорной втулки 6 и тангенсу угла α° наклона центральной оси "О₂-О₂" крепежной конической резьбы 4 кривого ниппеля 1 и поворота ее (центральной оси "О₂-О₂" крепежной конической резьбы 4) на угол α° относительно центральной оси "О₃-О₃" кривого ниппеля 1, включающей центральную ось "О₃-О" регулировочной конической резьбы 3 и центральную ось "О-О₃" распорной втулки 6 (см. фиг.2).

В предлагаемом регулируемом устройстве для направленного бурения скважин при максимальном угле отклонения устройства плоскости искривления кривого ниппеля 1 и кривого переводника 9 и точки пересечения центральных осей их резьб совмещены, в сопряжении регулировочной конической резьбы 3 выполнен максимальный допустимый натяг, упорный торец 17 кривого ниппеля 1 плотно прижат к регулировочному упорному кольцу 15, установленному в кривом переводнике 9, а при нулевом угле отклонения устройства центральные оси "O₁-O" входной резьбы 10 кривого переводника 9 и крепежной конической резьбы 4 кривого ниппеля 1 в своем продолжении совпадают, в сопряжении крепежной конической резьбы 4 резьбового соединения кривого ниппеля 1 и прямого переводника 12 выполнен максимальный допустимый прочностью резьбового сопряжения натяг и упорный торец 18 кривого ниппеля 1 плотно прижат к регулировочному упорному кольцу 16, установленному в прямом переводнике 12.

В предлагаемом регулируемом устройстве для направленного бурения скважин в рабочем положении при каждом установленном угле искривления суммарная величина зазоров "δ" с обеих сторон кривого ниппеля 1 между упорными торцами 17 кривого ниппеля 1 и регулировочным упорным кольцом 15, установленными в кривой переводник 9 и между упорным торцом 18 и регулировочным упорным кольцом 16, установленным в прямой переводник выполнена не более половины шага регулировочной конической резьбы 3.

Для сохранения неизменности установленного угла искривления устройства и жесткой фиксации каждого положения угла отклонения предлагаемого регулируемого устройства для направленного бурения скважин на смежных торцах распорной втулки 6 и кривого переводника 9 помимо внешних плоских упорных торцов 7 и 11 выполнены дополнительно внутренний венец 19 с торцовыми зубьями на распорной втулке 6 и внутренний венец 20 с торцовыми зубьями на кривом переводнике 9 для взаимодействия между собой.

Внутренний венец 19 на распорной втулке 6 и внутренний венец 20 на кривом переводнике 9 с торцовыми зубьями устанавливают жесткую связь между плоскостями искривления кривого ниппеля 1 и кривого переводника 9 и определяют положение плоскости искривления устройства в каждом зафиксированном угле отклонения. Количество торцовых зубьев на каждом внутреннем венце 19 и 20 целесообразно выполнить четным. При установке положений угла нулевого и максимального отклонения устройства взаимодействующие между собой боковые грани зубьев внутренних венцов 19 распорной втулки 6 и 20 кривого переводника 9 должны находиться в плоскости симметрии как распорной втулки 6, так и кривого переводника 9. Скользящие шпонки 5 должны располагаться по окружности кривого ниппеля 1 асимметрично. Это исключит возможность неправильной сборки распорной втулки 6 и кривого ниппеля 1. Максимальное вероятное количество различных возможных плоскостей искривления предлагаемого устройства для направленного бурения скважин определяется половиной количества зубьев, выполненных на внутреннем венце 20 кривого переводника 9 и на внутреннем венце 19 распорной втулки 6.

Для более надежной и длительной работы предлагаемого устройства резьбовые сопряжения регулировочной конической резьбы 3 и крепежной конической резьбы 4 целесообразно смазать смазкой, содержащей металлический наполнитель (например, медный).

Возможны другие конструктивные варианты выполнения регулируемого устройства для направленного бурения скважин. Регулируемое устройство для направленного бурения скважин устанавливается чаще всего в винтовых забойных двигателях. Входной резьбой 10 кривого переводника 9 предлагаемое устройство подсоединяется к статору винтового забойного двигателя (на чертеже не показано), а выходной резьбой 13 прямого переводника 12 подсоединяется к корпусу шпинделя (на чертеже не показано).

Работает регулируемое устройство для направленного бурения скважин следующим образом.

Для установки необходимой величины угла искривления устройства необходимо, закрепив кривой ниппель 1 вместе с распорной втулкой 6, отвернуть прямой переводник 12 на величину осевого перемещения, равную высоте зубьев внутреннего венца 19 распорной втулки 6 и шагу крепежной конической резьбы 4 кривого ниппеля 1. Переместить в осевом направлении распорную втулку 6 на скользящих шпонках 5 по кривому ниппелю 1 и вывести зубья внутреннего венца 19 распорной втулки 6 из зацепления с зубьями внутреннего венца 20 кривого переводника 9. Повернуть кривой переводник 9 на регулировочной конической резьбе 3 кривого ниппеля 1 до упора регулировочного упорного кольца 15 в упорный торец 17 кривого ниппеля 1. Поворачивая кривой переводник 9 в обратном направлении не более чем на 180°, установить необходимый угол искривления устройства путем совмещения рисок, выполненных на кривом переводнике 9 и на распорной втулке 6, с обозначением одинаковой величины угла.

Переместить распорную втулку 6 в осевом направлении на скользящих шпонках 5 и ввести зубья внутреннего венца 19 распорной втулки 6 в зацепление с зубьями внутреннего венца 20 кривого переводника 9.

Поворачивая прямой переводник 12 на крепежной конической резьбе 4 до упора внешнего плоского упорного торца 14 в скошенный под углом α° внешний плоский упорный торец 8 распорной втулки 6 и прямого внешнего плоского упорного торца 7 распорной втулки 6 во внешний плоский упорный торец 11 кривого переводника 9, закрепить взаимное положение кривого переводника 9 и кривого ниппеля 1 вместе с распорной втулкой 6.

Необходимый угол искривления устройства установлен и закреплен, и устройство готово к использованию.

Промывочная жидкость, подаваемая от буровых насосов под избыточным давлением к рабочим органам винтового забойного двигателя (на чертеже не показано), на выходе поступает в осевые отверстия кривого переводника 9, кривого ниппеля 1 и прямого переводника 12. (И далее через выходной вал шпинделя на забой. На чертеже не показано). Уплотнения 2 кривого ниппеля 1 препятствуют проникновению промывочной жидкости, содержащей мелкие абразивные частицы, к резьбовым сопряжениям конических резьб 3 и 4, к зубчатым внутренним венцам 19 и 20, а также к скользящим шпонкам 5 и предотвращают их загорение.

Уплотнения 2 защищают регулировочную 3 и крепежную 4 конические резьбы от ускоренного абразивного износа и способствуют более длительному сохранению устройства в работоспособном состоянии.

Отработанная на забое промывочная жидкость, содержащая мелкие куски выбуренной породы, протекает снаружи регулируемого устройства для направленного бурения скважин, а плотно прижатые друг к другу внешние плоские упорные торцы 14 прямого переводника 12 и 8 распорной втулки 6, а также внешние плоские упорные торцы 7 распорной втулки 6 и 11 кривого переводника 9 препятствуют проникновению отработанной промывочной жидкости и шлама в резьбовые, зубчатые и шпоночные соединения.

Таким образом, резьбовые, зубчатые и шпоночные сопряжения защищены от попадания в них промывочной жидкости и мелких абразивных частиц и способны работать длительное время без разрушений. Крутящий момент силы со статора винтового забойного двигателя (на чертеже не показано) передается на кривой переводник 9.

С кривого переводника 9 крутящий момент силы передается на прямой переводник 12 в основном через распорную втулку 6 за счет сил трения, возникающих при затяжке крепежной конической резьбы 4 и плотного прижатия внешнего плоского упорного торца 14 к внешнему плоскому упорному торцу 8 распорной втулки 6, а также плотного прижатия внешнего плоского упорного торца 7 распорной втулки 6 к внешнему плоскому упорному торцу 11 кривого переводника 9. Частично крутящий момент силы с кривого переводника 9 передается на прямой переводник 12 через регулировочную коническую резьбу 3 и крепежную коническую резьбу 4 кривого ниппеля 1 за счет момента сил трения, возникающего при затяжке регулировочной 3 и крепежной 4 конических резьб, выполненных с натягом, частично крутящий момент силы с кривого переводника 9 на распорную втулку 6 передается зубьями внутреннего венца 20 на внутренний венец 19, выполненный на распорной втулке 6, и с распорной втулки 6 на кривой ниппель 1 (и обратно) посредством скользящих шпонок 5.

Таким образом, крутящий момент силы регулируемым устройством для направленного бурения скважин передается параллельно различными элементами деталей, каждый из которых частично разгружается. Это способствует сохранению устройства на более длительное время в работоспособном состоянии и повышает надежность его.

Изгибающий момент, вызванный действием осевой нагрузки на искривленное устройство, воспринимается массой кривого ниппеля 1 и гасится жесткостью собранного воедино и затянутого по резьбам устройства.

Осевые усилия с кривого переводника 9 на прямой переводник 12 и обратно передаются через распорную втулку 6 при взаимодействии внешних плоских упорных торцов 11 и 7 и внешних плоских упорных торцов 8 и 14, имеющих значительную площадь взаимодействия.

При максимальном угле искривления устройства, когда действуют наибольшие усилия при направленном бурении скважин, зубья внутренних венцов 19 и 20 значительно разгружаются от передачи крутящего момента силы в связи с тем, что крутящий момент передается с кривого переводника 9 на кривой ниппель 1 также и через регулировочное упорное кольцо 15 и упорный торец 17 кривого ниппеля 1, плотно прижатые друг к другу. При нулевом угле искривления устройства осевые усилия и крутящий момент силы одновременно передаются с кривого ниппеля 1 на прямой переводник 12 через упорный торец 18 и регулировочное упорное кольцо 16, плотно прижатые друг к другу. Изменяя высоту регулировочных упорных колец 15 и 17, можно изменять (сужать) гарантированные пределы искривления регулируемого устройства для направленного бурения скважин, при этом используя большую жесткость устройства, обеспеченную повышенным допустимым натягом в регулировочной 3 и 8 крепежной 4 конических резьбах.

При работе регулируемого устройства для направленного бурения скважин регулировочные упорные кольца 15 и 16, взаимодействуя с упорными торцами 17 и 18 кривого ниппеля 1, не позволяют перейти предел допустимых напряжений в кривом переводнике 9 и в прямом переводнике 12, создаваемых натягом в регулировочной конической резьбе 3 и в крепежной конической резьбе 4, и тем самым предотвращают возможность преждевременного разрушения деталей, снижают вероятность запредельного повышения напряжений в конических резьбовых сопряжениях и сохраняют возможность оптимального использования натяга в резьбовых конических сопряжениях для обеспечения наибольшей жесткости устройства, то есть гарантируют надежную безаварийную работу.

Таким образом в регулируемом устройстве для направленного бурения скважин регулировочные упорные кольца 15 и 16, установленные в переводники 9 и 12, во взаимодействии с упорными торцами 17 и 18 кривого ниппеля 1 задают возможное предельное осевое перемещение кривого ниппеля 1 в переводниках 9 и 12, определяющее наибольший допустимый прочностью деталей натяг в конических резьбовых соединениях кривого ниппеля 1 с кривым переводником 9 и прямым переводником 12, а также при максимальном угле отклонения устройства частично разгружают зубчатые внутренние венцы 19 и 20 от чрезмерных перегрузок, сохраняя их в целостности.

При эксплуатации регулируемого устройства для направленного бурения скважин по мере износа регулировочной 3 и крепежной 4 конических резьб и ослабления натяга в них, уменьшая высоту регулировочных упорных колец 15 и 16 и высоту распорной втулки 6, можно восстановить необходимый и достаточный натяг в конических резьбовых сопряжениях. Это обеспечит более длительный период поддержания устройства в работоспособном состоянии без ухудшения его качества.

Входная резьба 10 кривого переводника 9 служит для подсоединения чаще всего к статору винтового забойного двигателя и обеспечивает герметичность подсоединения. Выходная резьба 13 служит преимущественно для подсоединения к корпусу шпинделя винтового забойного двигателя и также обеспечивает герметичность подсоединения (статор и корпус шпинделя винтового забойного двигателя на чертеже не показаны).

В предлагаемом регулируемом устройстве для направленного бурения скважин при изменении и установке различной величины угла искривления плоскость искривления "Р...Р₁₁" (см. фиг.3) устройства каждый раз меняет свое расположение в пространстве, но всякий раз остается единой и проходит через центральную ось "O₁-O₁" входной резьбы 10 кривого переводника 9 и через центральные оси "О₂-О₂" крепежной конической резьбы 4 кривого ниппеля 1 и выходной резьбы 13 прямого переводника 12. Это исключает двойное искривление устройства и связанное с ним возможное неконтролируемое отклонение траектории скважины и обеспечивает повышение точности проводки направленных скважин.

Защита регулируемого устройства для направленного бурения скважин от истирания о стенки скважины и интенсивного износа при бурении выполнена в виде увеличенного размера (диаметра) распорной втулки 6 и выступающей над остальными наружными поверхностями и упрочнения наружной поверхности распорной втулки 6 твердосплавными композиционными материалами, сохраняющими в работоспособном состоянии устройство на более длительный срок.

Таким образом, реализация отличительных признаков предлагаемого регулируемого устройства для направленного бурения скважин в сочетании и в совокупности с известными создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному устройству для направленного бурения и обеспечить достижение положительного технического результата:

- снижение вероятности запредельного повышения напряжений в конических резьбовых сопряжениях и в переводниках;

- исключение возможности преждевременного разрушения деталей за счет ограничения величины максимального натяга в конических резьбовых сопряжениях допустимым пределом;

- сохранение возможности оптимального использования натяга в резьбовых соединениях деталей путем ограничения их взаимного осевого перемещения;

- обеспечение возможности надежной фиксации каждого установленного угла отклонения путем жесткого соединения кривого переводника, распорной втулки и кривого ниппеля;

- повышение точности проводки скважин;

- повышение жесткости и надежности регулируемого устройства для направленного бурения скважин.

Все это позволяет повысить точность проводки скважин, надежность и долговечность регулируемого устройства для направленного бурения скважин, повысить его эффективность и привлекательность, то есть решить поставленные в изобретении задачи.

Предлагаемое регулируемое устройство для направленного бурения скважин перед известным устройством для направленного бурения (перед прототипом) имеет следующие преимущества:

1. Установлен гарантированный предел изменения угла искривления устройства.

2. Созданы необходимые условия для искривления устройства в одной плоскости при каждом угле искривления устройства.

3. Устранена причина возникновения неконтролируемого отклонения устройства, связанная с искривлением его в двух различных плоскостях.

4. Достигнута возможность снижения напряжения в деталях до безопасного предела, исключающего преждевременное разрушение деталей.

5. Создана возможность для надежной фиксации каждого положения искривления устройства, исключающей самопроизвольное изменение установленного угла искривления устройства.

6. Достигнута возможность повышения жесткости устройства, исключающей расшатывание резьбовых соединений деталей при каждом установленном угле отклонения устройства.

7. Повышается точность проводки направленных и горизонтальных скважин по заданной траектории, повышается надежность и долговечность устройства, возрастает экономическая эффективность использования предлагаемого регулируемого устройства для направленного бурения скважин.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Устройство содержит кривой ниппель с уплотнениями и регулировочной и крепежной коническими резьбами на концах, выполненные с внешними плоскими упорными торцами для взаимодействия по ним и установленные на кривом ниппеле с возможностью осевого перемещения на скользящих шпонках распорную втулку с прямым и со скошенным под углом α° упорными торцами, на регулировочной резьбе - кривой переводник с выполненной входной резьбой и на крепежной резьбе - прямой переводник с выполненной выходной резьбой. Сопряжения регулировочной и крепежной конических резьб выполнены с натягом и центральные оси резьб кривого ниппеля и кривого переводника в каждом пересекаются под углом α°. В переводниках для установки гарантированного предела изменения величины угла отклонения устройства и периодического взаимодействия с выполненными на кривом ниппеле упорными торцами при предельных углах отклонения устройства плотно установлены регулировочные упорные кольца. Плоскость симметрии распорной втулки совмещена с плоскостью искривления кривого ниппеля. Искривление кривого ниппеля может быть выполнено в виде радиального смещения и поворота на угол α° центральной оси крепежной конической резьбы относительно центральной оси кривого ниппеля, причем величина радиального смещения центральной оси крепежной конической резьбы прямо пропорциональна осевой длине распорной втулки и тангенсу угла α° взаимного наклона центральных осей регулировочной и крепежной конических резьб кривого ниппеля. При максимальном угле отклонения устройства плоскости искривления кривого ниппеля и кривого переводника и точки пересечения центральных осей их резьб совмещены, в сопряжении регулировочной конической резьбы выполнен максимальный допустимый натяг, упорный торец кривого ниппеля плотно прижат к регулировочному упорному кольцу, установленному в кривом переводнике, а при нулевом угле отклонения устройства центральные оси входной резьбы кривого переводника и крепежной конической резьбы кривого ниппеля в своем продолжении совпадают, в сопряжении крепежной конической резьбы выполнен максимальный допустимый натяг, и упорный торец кривого ниппеля плотно прижат к регулировочному упорному кольцу, установленному в прямом переводнике. Суммарная величина зазоров между упорными торцами кривого ниппеля и свободными торцами регулировочных упорных колец, установленных в переводники, выполнена не более половины шага регулировочной конической резьбы. На смежных торцах распорной втулки и кривого переводника дополнительно выполнены внутренние венцы с торцовыми зубьями для взаимодействия между собой. Изобретение направлено на повышение точности проводки скважин за счет исключения возможности неконтролируемого искривления устройства в двух различных плоскостях. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Регулируемое устройство для направленного бурения скважин, содержащее кривой ниппель с уплотнениями и регулировочной и крепежной коническими резьбами на концах, выполненные с внешними плоскими упорными торцами для взаимодействия по ним и установленные на кривом ниппеле с возможностью осевого перемещения на скользящих шпонках распорную втулку с прямым и со скошенным под углом α° упорными торцами, на регулировочной резьбе - кривой переводник с выполненной входной резьбой и на крепежной резьбе - прямой переводник с выполненной выходной резьбой, причем сопряжения регулировочной и крепежной конических резьб выполнены с натягом и центральные оси резьб кривого ниппеля и кривого переводника в каждом пересекаются под углом α°, отличающееся тем, что содержит регулировочные упорные кольца, плотно установленные в переводниках для установки гарантированного предела изменения величины угла отклонения устройства и периодического взаимодействия с выполненными на кривом ниппеле упорными торцами при предельных углах отклонения устройства, и плоскость симметрии распорной втулки совмещена с плоскостью искривления кривого ниппеля.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что искривление кривого ниппеля выполнено в виде радиального смещения и поворота на угол α° центральной оси крепежной конической резьбы относительно центральной оси кривого ниппеля, причем величина радиального смещения центральной оси крепежной конической резьбы прямо пропорциональна осевой длине распорной втулки и тангенсу угла α° взаимного наклона центральных осей регулировочной и крепежной конических резьб кривого ниппеля.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что при максимальном угле отклонения устройства плоскости искривления кривого ниппеля и кривого переводника и точки пересечения центральных осей их резьб совмещены, в сопряжении регулировочной конической резьбы выполнен максимальный допустимый натяг, упорный торец кривого ниппеля плотно прижат к регулировочному упорному кольцу, установленному в кривом переводнике, а при нулевом угле отклонения устройства центральные оси входной резьбы кривого переводника и крепежной конической резьбы кривого ниппеля в своем продолжении совпадают, в сопряжении крепежной конической резьбы выполнен максимальный допустимый натяг и упорный торец кривого ниппеля плотно прижат к регулировочному упорному кольцу, установленному в прямом переводнике.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что суммарная величина зазоров между упорными торцами кривого ниппеля и свободными торцами регулировочных упорных колец, установленных в переводники, выполнена не более половины шага регулировочной конической резьбы.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на смежных торцах распорной втулки и кривого переводника помимо внешних плоских упорных торцов выполнены дополнительно внутренние венцы с торцовыми зубьями для взаимодействия между собой.