УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДЕРЖИВАНИЯ СКВАЖИННОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА В ВЕРТИКАЛЬНОМ ПОЛОЖЕНИИ Российский патент 2011 года по МПК E21B17/10 E21B7/10 

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к устройству для удержания скважинного бурового инструмента в вертикальном положении во время бурения вертикальной скважины.

Предшествующий уровень техники изобретения

Трудно удерживать стволы скважины вертикально во время бурения нефтяных или газовых скважин. Примером представленного на рынке устройства для удерживания скважинного бурового инструмента в вертикальном положении во время бурения вертикальных скважин является система, известная под торговой маркой «VertiTrak», поставляемая компанией «Baker Hughes Incorporated». Другим примером представленного на рынке устройства для удерживания скважинного бурового инструмента в вертикальном положении во время бурения вертикальных скважин является система, известная под торговой маркой «Power V», поставляемая компанией «Schumberger Incorporated».

Сущность изобретения

В связи с этим создано устройство для удерживания скважинного бурового инструмента в вертикальном положении. Устройство включает в себя трубчатый внешний корпус, имеющий первый конец, второй конец, продольную ось и кольцевую стенку, которая образует внутренний канал.

Устройство содержит центраторы, равномерно распределенные вокруг кольцевой стенки на втором конце трубчатого корпуса. Центраторы шарнирно прикреплены к внешнему корпусу для поворота между выдвинутым положением и убранным положением. Поршни расположены в камерах, радиально расположенных по отношению к продольной оси. Поршни имеют выдвинутое и убранное положение. Поршни располагаются под каждым из центраторов так, что в выдвинутом положении поршни обеспечивают усилие для перемещения центраторов в выдвинутое положение. Устройство имеет множество раздельных камер бурового раствора. Каждая из камер бурового раствора соединена с одной из камер одного из поршней. Положение поршня управляется с помощью гидравлического давления в камере бурового раствора. Каждая из камер имеет входное отверстие, через которое поступает буровой раствор, и выходное отверстие. Выходные отверстия камер бурового раствора имеют кольцеобразное расположение. Использован трубчатый маятник, который имеет кольцевую стенку, первый конец и второй конец. Первый конец шарнирно закреплен внутри канала внешнего корпуса для всенаправленного шарнирного перемещения. Маятник движется из центрального шарнирного положения в смещенное под углом шарнирное положение под действием силы тяжести при отклонении внешнего корпуса от вертикального положения, так что при движении маятника между центральным шарнирным положением и смещенным под углом шарнирным положением маятник корректирует гидравлическое давление, по меньшей мере, в одной камере бурового раствора путем управления потоком бурового раствора через соответствующее выходное отверстие, по меньшей мере, одной камеры бурового раствора, так что гидравлическое давление изменяется, поршень, соединенный, по меньшей мере, с одной камерой бурового раствора, корректирует положение центраторов до возвращения внешнего корпуса в вертикальное положение.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки настоящего изобретения станут более понятными из следующего описания со ссылками на приложенные чертежи, представленные только для целей иллюстрации и не предназначенные для какого-либо ограничения объема показанного конкретного варианта или вариантов осуществления, при этом на чертежах показано следующее:

фиг.1 является видом продольного сечения нижней части устройства;

фиг.2 является видом продольного сечения верхней части устройства;

фиг.3 является подробным видом продольного сечения поршневой камеры;

фиг.4 является подробным видом продольного сечения выходного отверстия камеры бурового раствора;

фиг.5 является перспективным видом пластины выходных отверстий;

фиг.6 является подробным видом продольного сечения альтернативного выходного отверстия камеры бурового раствора;

фиг.7 является подробным видом продольного сечения еще одного альтернативного выходного отверстия камеры бурового раствора;

фиг.8 является подробным видом продольного сечения еще одного альтернативного выходного отверстия камеры бурового раствора.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления

Предпочтительный вариант осуществления устройства 10 для удерживания скважинного бурового инструмента в вертикальном положении описано ниже со ссылкой на фиг. 1-5. Альтернативные варианты осуществления будут описаны со ссылкой на фиг. 6-8.

Конструкция и взаимоотношение частей

Показанное на фиг. 1 и 2 устройство 10 для удерживания скважинного бурового инструмента в вертикальном положении включает в себя трубчатый внешний корпус 12 и внутреннюю оправку 11. Внешний корпус имеет первый конец 14, второй конец 16, продольную ось 18 и кольцевую стенку 20, которая образует внутренний канал 22. Устройство содержит центраторы 24, равномерно распределенные вокруг кольцевой стенки 20 на втором конце 16 трубчатого корпуса 12. Центраторы 24 шарнирно прикреплены в шарнирной точке 23 к внешнему корпусу 12 для шарнирного перемещения между выдвинутым положением и убранным положением. На фиг. 3 показана кольцеобразная втулка для ограничения отвода центраторов 24 в выдвинутом положении. Поршни 26 расположены в камерах 28 и размещены радиально по отношению к продольной оси 18, при этом один поршень 26 находится под каждым центратором 24 и обеспечивает усилие для перемещения центратора 24 в выдвинутое положение. Устройство имеет множество раздельных камер 30 бурового раствора, каждая из которых соединена с соответствующей камерой 28 поршня, обеспечивая тем самым гидравлическое давление для приведения поршня 26, и тем самым центратора 24, в выдвинутое положение. Каждая камера 30 имеет входное отверстие 32, через которое поступает буровой раствор, и выходное отверстие 34 (фиг. 4) проходит через пластину 35 выходных отверстий. Как показано на фиг.5, пластина 35 выходных отверстий прикреплена с использованием соединителей (не показаны) через отверстия 37. Выходные отверстия 34 камеры 30 бурового раствора также расположены кольцеобразно. Ограничитель 39 потока (фиг. 3) расположен во входном отверстии 32 в камеры 30 для управления потоком. Пара концентрических металлических втулок 52 и 54 расположена до входного отверстия 32 камеры 30 для измельчения больших частиц в буровом растворе до их прохождения во входное отверстие 32. Таким образом, центратор 24 имеет соответствующую камеру 28 поршня с поршнем 26 и камеру 30 бурового раствора с входным отверстием 32 и выходным отверстием 34, расположенными радиально и равномерно вокруг корпуса 12, как выходные отверстия 34, показанные на фиг.5.

Как показано на фиг. 1 и 2, использован трубчатый маятник 36 внутри трубчатого корпуса 12, который имеет кольцевую стенку 38, первый конец 40 и второй конец 42. Первый конец 40 шарнирно закреплен во внутреннем канале 22 внешнего корпуса 12 для всенаправленного шарнирного перемещения. Радиальные подшипники расположены сверху и снизу трубчатого маятника 36, выполнены в форме концентрических втулок из карбида вольфрама и являются верхними радиальными подшипниками 62, первым промежуточным радиальным подшипником 56 над трубчатым маятником 36, вторым промежуточным радиальным подшипником 58 под трубчатым маятником 36 и нижним радиальным подшипником 60. Осевые подшипники 48 расположены на первом конце 40 для сопротивления осевым силам между внутренней оправкой 11 и внешним корпусом 12. Необязательно могут использоваться прижимающие пружины 50 на первом конце 40 маятника 36 для облегчения осевого выравнивания во время сборки. Было обнаружено, что если внимательно следить за допусками, то пружины 50 можно не использовать.

Устройство работает следующим образом.

Устройство 10 предпочтительно присоединено в виде секции к буровой колонне, используемой для бурения вертикальных скважин. Буровой раствор течет во входное отверстие 32, заполняет камеру 28 поршня и камеру 30 бурового раствора и течет к выходному отверстию 34. Когда установка инструмента приводит маятник 36 в вертикальное положение или концентрическое шарнирное положение, второй конец 42 маятника 36 подвешивается над кольцеобразно расположенными выходными отверстиями 34 так, что маятник 36 в значительной степени закрывает каждое выходное отверстие 34, находясь в концентрическом шарнирном положении для создания ограничения потока. Это приводит каждую камеру 30 бурового раствора в сбалансированное равновесие давления с другими камерами так, что каждый поршень 26 прилагает одинаковое усилие к каждому соответствующему центратору 24. Таким образом, важно, чтобы поршни и центраторы были равномерно расположены вокруг корпуса 12 так, чтобы в этом положении результирующая сила в любом одном направлении равнялась нулю. В предпочтительном варианте осуществления это достигается использованием кольцеобразного контактного элемента 44, смонтированного на втором конце 42 маятника 36. Клапанные уплотнительные или опорные поверхности 47 позволяют кольцеобразному контактному элементу 44 легко скользить по пластине 35 выходных отверстий. Кольцеобразный контактный элемент 44 затем прижимается прижимающими пружинами 46 до соприкосновения с кольцеобразным расположением выходных отверстий 34 так, что кольцеобразный контактный элемент 44 закрывает выходные отверстия 34, когда маятник 36 находится в концентрическом шарнирном положении. Как только прижимная сила прижимной пружины 46 будет преодолена, буровой раствор сможет просачиваться. Это является полезным для регулирования давления во время работы, и также смазывает клапанные уплотнительные или опорные поверхности. Ограничитель 39 потока ограничивает скорость потока.

При отклонении внешнего корпуса 12 от вертикальной позиции маятник 36 отклоняется под действием силы тяжести для занятия смещенного под углом шарнирного положения (по отношению к внешнему корпусу 12), снимая тем самым ограничение потока на одном или двух выходных отверстиях 34 соответствующих камер 30 бурового раствора, что приводит к увеличению потока бурового раствора. Это уменьшает гидравлическую силу, действующую на один или два поршня 26, и заставляет соответствующие центраторы 24, по меньшей мере, частично убираться в убранное положение. Разность давлений из других центраторов 24 заставляет внешний корпус 12 возвращаться обратно в вертикальное положение, пока маятник 36 опять не займет концентрическое шарнирное положение и не восстановится сбалансированное равновесие давления в камерах бурового раствора. На фиг.5 проиллюстрированы четыре выходных отверстия 34. Если маятник 36 отклоняется прямо напротив одного из выходных отверстий 34, то одно выходное отверстие будет открыто для потока бурового раствора. Однако маятник 36 будет иногда отклоняться между двумя выходными отверстиями 34, открывая два выходных отверстия для потока бурового раствора.

В качестве примера, работа будет описана с устройством 10, работающим в 12 ¼ - дюймовом стволе с 10 фунтов на галлон буровым раствором и инструментом, ориентированным в начальной ориентации, которая является вертикальным положением. Ссылаясь на фиг.4, предположим падение давления через долото в 750 фунтов на квадратный дюйм и что пружины 46 прижимают контактный элемент 44 на втором конце 42 маятника 36 к клапанной уплотнительно-опорной поверхности 47 и выходному отверстию 34, поддерживая в камерах 30 давление в 400 фунтов на кв.дюйм. Ссылаясь на фиг.3, это давление в 400 фунтов на кв.дюйм будет заставлять каждый из четырех поршней 26 выдвигать пластины 24 с силой в 3068 фунтов, поскольку площадь поперечного сечения каждого поршня составляет 7,67 дюймов. Стопорное кольцо 25 будет ограничивать пластины 24 от выдвижения более чем диаметр бурящейся скважины. Ссылаясь на фиг.4, любое давление выше 400 фунтов на кв.дюйм в камерах 30 заставит контактный элемент 33 на втором конце 42 отодвинуться от клапанной уплотнительной или опорной поверхности 47, позволяя раствору просачиваться через выходное отверстие 34. Количество раствора, которое пройдет через канал, обеспеченный камерами 30 бурового раствора, будет количеством бурового раствора, которое сможет пройти через отверстия 34 в 4 1/8 дюйма под давлением 350 фунтов на кв.дюйм (разность между падением давления через долото в 750 фунтов на кв.дюйм и обратное давление в 400 фунтов на кв.дюйм, вызванное прижимными пружинами 46). При 350 фунтов на кв. дюйм и 10 фунтов на галлон бурового раствора количество бурового раствора будет составлять 30 галлонов в минуту. Этот буровой раствор (фиг. 1 и 2) через отверстие или через один из радиальных подшипников, расположенных выше маятника 36, а именно 56 или 62. Также будет происходить дополнительная утечка через радиальные подшипники, расположенные ниже маятника 36, а именно 58 или 60. Если устройство 10 не находится в вертикальном положении, маятник 36 будет отклоняться под действием силы тяжести. Теоретически отсутствует сопротивление этому отклоняющему движению, поскольку контактный элемент 44 (фиг. 4) на втором конце 42 маятника 36 будет гидропланировать на буровом растворе, который протекает через выходное отверстие 34. Движение маятника 36 заставит открыться одно или два выходных отверстия 34. Предположим, что одно выходное отверстие 34 открыто, давление через ограничитель 39 потока во входном отверстии 32 будет составлять 750 фунтов на кв.дюйм. Поток через камеры 30 (фиг. 3) будет также ограничен ограничителем 39 потока, расположенным во входном отверстии 32. Как описывалось выше, любые большие частицы в буровом растворе, которые могут иначе закупорить входное отверстие 32, измельчаются концентрическими втулками 52 и 54.

Преимущества настоящего изобретения

Инструменты VertiTrak и Power V являются сравнительно сложными и дорогими. Для сравнения, устройство 10 является простым и приводится в действие с помощью гравитации. Устройство 10 может быть использовано как в условиях, когда буровая колонна вращается с поверхности, так и в условиях, когда используется забойный буровой мотор. Однако является важным, что устройство 10 было размещено в буровой колонне со стабилизатором или другим стабилизирующим средством над ним, так что устройство 10 стабилизируется на его верхнем конце. Часто является предпочтительным вращать буровую колонну для предотвращения заклинивания в стволе. Устройство 10 способно работать даже тогда, когда буровая колонна вращается с помощью забойного бурового двигателя.

Варианты осуществления изобретения

Вариант осуществления, описанный выше, рассчитан на пружину 46 для прижимания кольцеобразного контактного элемента 44 при достаточном давлении к опорной поверхности 47 и блокировки потока бурового раствора из кольцеобразной конфигурации выходных отверстий 34. Следует понимать, однако, что другие конфигурации также позволяют маятнику 36 корректировать гидравлическое давление в камерах 30 бурового раствора путем управления потоком раствора через выходные отверстия 34 для возвращения центраторами 24 корпуса 12 обратно в вертикальное положение. Например, вместо того, чтобы кольцеобразный контактный элемент 44 (фиг. 8) блокировал поток бурового раствора из выходных отверстий 34, когда инструмент находится в вертикальном положении, как описывалось выше, можно позволить буровому раствору течь, когда корпус 12 находится в вертикальном положении, и блокировать поток из определенных выходных отверстий 34, когда он отклоняется от вертикальной позиции.

При таком расположении соответствующие поршни 26 будут испытывать давление и заставят нужные центраторы 24 выдвигаться для возвращения корпуса 12 обратно в вертикальное положение, в то время как другие центраторы 24 остаются в убранном положении. Возможным недостатком этого варианта является увеличение трения при скольжении маятника 36. Причиной этого является то, что буровой раствор обходит маятник 36 и не поднимает гидравлически маятник 36, как это происходит в варианте осуществления, описанном выше. Будет иметь место больший поток бурового раствора через инструмент, так как каналы бурового раствора блокируются только тогда, когда маятник отклоняется от центра, однако количество не является особенно важным.

Существуют также другие альтернативы для поддержания контакта между кольцеобразным контактным элементом 44 и опорной поверхностью 47 (фиг.6). Вес контактного элемента 44 используется для поддержания контакта. Возможным недостатком этого варианта является то, что вибрация может сдвинуть маятник с места, что приведет к потере герметичности контакта. Показанное на фиг.7 резьбовое соединение 64 обеспечивает точную регулировку длины маятника 36 и приемлемый зазор между контактным элементом 44 и опорной поверхностью 47. Возможным недостатком этого варианта является то, что износ может отрицательно сказаться на регулировке, что приведет к уменьшению или исчезновению зазора.

В данном документе слово «содержащий» используется в его не ограничивающем смысле для обозначения того, что элементы, следующие за словом включаются, но при этом специально не упомянутые элементы не исключаются. Ссылка на элемент не исключает возможности того, что присутствует более чем один элемент, если только контекст ясно не требует того, чтобы был один и только один элемент.

Изобретение относится к буровому инструменту, в частности к устройству для поддержания скважинного бурового инструмента в вертикальном положении. Техническим результатом является повышение точности бурения и надежности работы устройства. Устройство для удерживания скважинного бурового инструмента в вертикальном положении использует маятник. Маятник управляет потоком из выходных отверстий камер бурового раствора, направляя его в поршни активации центраторов, действующих на центраторные пластины. При отклонении внешнего корпуса от вертикального положения маятник отклоняется под действием силы тяжести и занимает смещенное под углом шарнирное положение. При этом корректируется гидравлическое давление в одном или двух выходных отверстиях одной или двух камер бурового раствора, в результате чего изменяется гидравлическая сила, действующая на один или два поршня, заставляющих один из центраторов изменять свое положение для возвращения внешнего корпуса обратно в вертикальное положение до расположения маятника в концентрическом шарнирном положении и восстановления сбалансированного равновесия давления в камерах бурового раствора. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство (10) для удерживания скважинного бурового инструмента в вертикальном положении, содержащее трубчатый внешний корпус (12), имеющий первый конец (14), второй конец (16), продольную ось (18) и кольцевую стенку (20), образующую внутренний канал, центраторы (24), равномерно распределенные вокруг кольцевой стенки (20) на втором конце (16) трубчатого корпуса (12) и шарнирно прикрепленные к внешнему корпусу (12) для шарнирного перемещения между выдвинутым положением и убранным положением, поршни (26), расположенные в камерах (28), размещенных радиально по отношению к продольной оси (18), имеющие выдвинутое и убранное положение и расположенные под каждым из центраторов (24), так что в выдвинутом положении поршни (26) обеспечивают усилие для перемещения центраторов (24) в выдвинутое положение, множество раздельных камер (30) бурового раствора, каждая из которых соединена с одной из камер (28) одного из поршней (26), и положение поршня (26) управляется с помощью гидравлического давления в камере (30) бурового раствора, при этом каждая из камер (30) бурового раствора имеет входное отверстие (32) для прохождения бурового раствора и выходное отверстие (34), при этом выходные отверстия расположены кольцеобразно, трубчатый маятник (36), имеющий кольцевую стенку (38), первый конец (40) и второй конец (42), при этом первый конец (40) шарнирно закреплен во внутреннем канале (22) внешнего корпуса (12) для всенаправленного шарнирного перемещения, маятник (36) способен перемещаться из центрального шарнирного положения в смещенное под углом шарнирное положение под действием силы тяжести при отклонении внешнего корпуса (12) от вертикального положения так, что при перемещении маятника (36) между концентрическим шарнирным положением и смещенным под углом шарнирным положением маятник (36) корректирует гидравлическое давление, по меньшей мере, в одной камере (30) бурового раствора путем физического ограничения потока бурового раствора в одном из положений, концентрическом или смещенном под углом, что позволяет протекание бурового раствора через соответствующее выходное отверстие (34), по меньшей мере, одной камеры (30) бурового раствора в другом положении, концентрическом или смещенном под углом, так что при изменении гидравлического давления поршень (26) в соединении, по меньшей мере, с одной камерой (30) бурового раствора корректирует положение центраторов (24) до возвращения внешнего корпуса (12) в вертикальное положение.

2. Устройство по п.1, которое содержит ограничитель (39) потока, расположенный во входном отверстии (32) камеры (30) бурового раствора для управления потоком.

3. Устройство по п.1, которое содержит пару концентрических металлических втулок (52) и (54), расположенных до входного отверстия (32) камеры (30) бурового раствора для измельчения больших частиц в буровом растворе до их поступления во входное отверстие (32).

4. Устройство по п.1, в котором маятник (36) способен ограничивать поток через выходные отверстия (34) камер (30) бурового раствора в концентрическом шарнирном положении, и маятник (36) обеспечивает протекание бурового раствора через, по меньшей мере, одно выходное отверстие (34), по меньшей мере, одной камеры (30) бурового раствора в смещенном под углом шарнирном положении.

5. Устройство по п.4, которое содержит кольцеобразный контактный элемент (44), смонтированный на втором конце (42) маятника (36) и прижатый прижимающими пружинами (46) к кольцеобразной конфигурации выходных отверстий (34), так что кольцеобразный контактный элемент (44) закрывает выходные отверстия (34) при расположении маятника (36) в концентрическом шарнирном положении до преодоления прижимной силы прижимной пружины (46) с обеспечением просачивания бурового раствора.

6. Устройство по п.1, в котором маятник (36) способен обеспечить протекание бурового раствора через выходные отверстия (34) камер (30) бурового раствора в концентрическом шарнирном положении и ограничить поток, по меньшей мере, через одно выходное отверстие (34), по меньшей мере, одной камеры (30) бурового раствора в смещенном под углом шарнирном положении.

7. Устройство по п.1, которое содержит кольцеобразную втулку (25) для ограничения отвода центраторов (24) в выдвинутом положении.

8. Устройство по п.1, которое содержит осевые подшипники (48) на первом конце (40) маятника (36) для сопротивления осевой нагрузке между внутренней оправкой (11) и внешним корпусом (12).

9. Устройство по п.1, которое содержит прижимающие пружины (50) на первом конце (40) маятника (36) для облегчения осевого выравнивания во время сборки.

10. Устройство по п.1, которое содержит кольцеобразный контактный элемент (44), смонтированный на втором конце (42) маятника (36), при этом положение кольцеобразного контактного элемента (44) относительно кольцеобразной конфигурации выходных отверстий (34) управляется с помощью резьбового соединения (64).