Роторная управляемая система для бурения Российский патент 2025 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в составе компоновок низа бурильной колонны при бурении наклонно-направленных, горизонтальных и многозабойных скважин роторным способом.

Известны различные роторные управляемые системы. Наиболее близкой по технической сущности к настоящему изобретению является роторная управляемая система, описанная в патенте US 9752386 В2 [1]. Известная роторная управляемая система представляем собой устройство, в котором ротор и долото жестко связаны друг с другом. Смещающие пластины закреплены на статоре, двигатель наклоняется относительно ствола скважины с помощью смещающих пластин во время формирования искривленного ствола скважины. Приводы, используемые для перемещения пластин между их убранным и выдвинутым положениями, имеют форму поршней, к которым жидкость подается под давлением в соответствующее время через систему клапанов, управляемую блоком управления. Приводы в виде поршней предназначены для перемещения смещающих пластин между их выдвинутым и убранным положениями. Каждый исполнительный механизм содержит поршень, скользящий внутри соответствующего цилиндра. Первый конец каждого поршня взаимодействует с соответствующей отклоняющей пластиной, тогда как второй конец каждого поршня образует с соответствующим цилиндром камеру. Камеры сообщаются через соответствующие каналы с клапанным блоком.

Поскольку за один оборот буровых труб и долота необходимо выдвинуть и затем втянуть обратно последовательно каждый из поршней, то недостатком указанного ближайшего технического решения является наличие холостого хода смещающих пластин до стенки скважины, на что требуется дополнительное время, и, следовательно, уменьшается время полезного воздействия на стенку скважины.

В настоящее время большинство роторных-управляемых систем используют энергию потока промывочной жидкости для обеспечения работоспособности отклоняющего модуля и вращения генератора для обеспечения электрической энергией. Для преобразования энергии потока промывочной жидкости в необходимую энергию может служить как генератор или гидронасос, приводимый в действие потоком бурового раствора и последующим преобразованием в поступательное движение поршня отклоняющего механизма, так и специальный распределитель потока, который производит перераспределение потока бурового раствора таким образом, чтобы он непосредственно, за счет дифференциального перепада давления, воздействовал на поршни исполнительного механизма. Недостатками указанных систем является то, что многие элементы данных систем непосредственно контактируют с промывочной жидкостью, которая имеет высокое давление, высокую скорость потока и большую абразивность из-за содержания твердых частиц и, соответственно, очень сильно размывает все контактирующие с ней поверхности (например, лопатки турбин, поршни толкателей), ремонт которых впоследствии требует значительное время и материальные ресурсы.

Техническая задача состоит в создании роторной управляемой системы с возможностью получения энергии для своей работы иным способом, который исключает воздействие данных факторов на рабочие-исполнительные механизмы РУС.

Предложенное техническое решение позволяет решить техническую задачу.

Поставленная задача решена путем получения энергии от вращения труб бурового инструмента следующим образом, крутящий момент от ротора буровой установки или верхнего привода буровой установки посредством труб бурового инструмента передается на вал-ротор системы и далее посредством шестерен отбора мощности на насосы и генератор электрической энергии, в случае его наличия, находящиеся во втулке-статоре системы.

Наличие возможности получения энергии от вращения вала-ротора, соединенного с трубами бурового инструмента для отклонения долота от оси скважины во время бурения, является отличительной особенностью заявленной роторной управляемой системы.

В представленном изобретении описана Роторная управляемая система (РУС), отличающаяся тем, что получает энергию для своей работы не от энергии бурового раствора циркулирующего в трубах, а от энергии вращения труб бурового инструмента, приводимых во вращение ротором либо силовым верхним приводом буровой установки. Данный способ получения энергии предпочтителен, потому что исключаются основные трудности при использовании энергии бурового раствора, а именно высокий гидравлический перепад давления бурового раствора на подвижные элементы РУС и абразивный износ частей РУС, связанный с наличием в буровом растворе абразивных частиц.

Технический результат заключается в повышении надежности и долговечности РУС за счет исключения высокого гидравлического перепада давления на элементы РУС и исключения абразивного износа частей РУС от взаимодействия с буровым раствором.

Предлагаемое изобретение значительно упрощает устройство РУС и, соответственно, снижает его стоимость, стоимость владения, время его изготовления и ремонта. Таким образом, все вышеперечисленное способствует увеличению доступности РУС и распространению бурения скважин с использованием РУС.

Фиг. 1 изображает эскиз роторной управляемой системы, согласно изобретению.

Фиг. 2 изображает разрез втулки-статора роторной управляемой системы в месте расположения отклоняющего модуля.

Фиг. 3 изображает роторную управляемую систему в стационарном состоянии, согласно изобретению.

Фиг. 4 изображает образец команды передаваемой на роторную управляемую систему, согласно изобретению.

Известная роторная управляемая система [1], которая представляет собой устройство, в котором ротор и долото жестко связаны друг с другом. Смещающие пластины закреплены на статоре, двигатель наклоняется относительно ствола скважины с помощью смещающих пластин во время формирования искривленного ствола скважины. Приводы, используемые для перемещения пластин между их убранным и выдвинутым положениями, имеют форму поршней, к которым жидкость подается под давлением в соответствующее время через систему клапанов, управляемую блоком управления. Приводы в виде поршней предназначены для перемещения смещающих пластин между их выдвинутым и убранным положениями. Каждый исполнительный механизм содержит поршень, скользящий внутри соответствующего цилиндра. Один конец каждого поршня взаимодействует с соответствующей отклоняющей пластиной, тогда как второй конец каждого поршня образует с соответствующим цилиндром камеру. Камеры сообщаются через соответствующие каналы с клапанным блоком.

Поскольку за один оборот буровых труб и, соответственно, долота необходимо выдвинуть и затем втянуть обратно последовательно каждый из поршней, то недостатком указанного ближайшего технического решения является наличие холостого хода смещающих пластин, от статического положения до стенки скважины, на что требуется дополнительное (непродуктивное) время, и, следовательно, уменьшается время полезного воздействия на стенку скважины и, соответственно, интенсивность набора параметров кривизны скважины.

На фиг. 1 показан эскиз роторной управляемой системы, согласно изобретению. Роторная управляемая система состоит из втулки-статора 1, в стенках которой размещены модуль управления 2, энергетический модуль 3, модуль связи 4, отклоняющие модули 6 и центрирующие элементы 5. Через центральный канал втулки-статора проходит вал-ротор 7, который с одной стороны соединяется с буровым долотом, а с другой - с трубами бурового инструмента (условно не показаны).

В предлагаемом согласно изобретению РУС, выполненном в виде не вращающейся относительно стенок скважины втулки-статора 1, в которой расположены по окружности на равном угловом расстоянии от одного до четырех отклоняющих модулей 6, в представленном случае три, ближе к заднему торцу расположены еще три модуля, это модуль управления 2, энергетический модуль 3, который может быть представлен либо генератором, либо блоком батарей и модуль связи 4. Также на наружной поверхности втулки-статора, ближе к заднему торцу, расположены выступающие наружу из тела втулки-статора центрирующие элементы 5. Сквозь втулку-статор проходит вал-ротор 7 с нанесенными в определенных местах на внешней поверхности зубчатыми венцами для зацепления с шестернями привода отклоняющих модулей и генератора. Зубчатый венец может быть выполнен многими хорошо известными способами, например, фрезерованием непосредственно на поверхности вала либо установкой в паз на теле вала частей венца изготовленного отдельно.

Описание модулей, входящих в РУС

1. Отклоняющий модуль 6 - модуль, содержащий в себе исполнительный механизм в виде гидроцилиндра с поршнем 8, на котором расположена износостойкая пластина, опирающаяся в процессе работы на стенку скважины, управляющие клапана и датчики давления, расположенные на всех масляных магистралях, гидравлический насос объемного типа, приводимый в действие через шестерню отбора мощности 10, зубья которой выступают во внутреннюю полость втулки и входят в зацепление с зубчатым венцом на валу-роторе 7, проходящем насквозь через втулку-статор 1, масляный резервуар-компенсатор внешнего гидростатического давления. Подобных модулей РУС может содержать от одного до четырех штук, оптимальным для достижения необходимого отклонения РУСа от оси скважины в любой момент времени считаю наличие трех отклоняющих модулей, расположенных через 120 градусов по окружности втулки-статора 1, все они выполнены единообразно и могут быть взаимозаменяемыми.

2. Управляющий модуль 2 - модуль, содержащий в себе зонды инклинометра на основе акселерометра, Гамма-каротажа для регистрации естественной радиоактивности горных пород и плату управления клапанами, расположенными в отклоняющих модулях, а также датчик Холла для определения наличия вращения вала-ротора 7 относительно втулки-статора 1 и его скорости.

3. Энергетический модуль 3 - модуль, содержащий в себе генератор, приводимый в действие через шестерню отбора мощности, зубья которой выступают во внутреннюю полость втулки-статора 1 и входят в зацепление с зубчатым венцом на вале-роторе 7, необходимый для выработки электрической энергии для питания всех модулей, а также батарею на основе литиевых элементов питания по необходимости.

4. Модуль связи 4 - модуль, содержащий короткий электромагнитный или акустический канал связи для возможности передачи/получения данных в случае необходимости на внешнюю телесистему, расположенную выше, в режиме двухсторонней либо односторонней связи.

5. Центрирующие элементы 5 - в задней части втулки-статора, должны быть изготовлены с учетом диаметра используемого долота и покрыты износостойкими элементами и могут быть сменными. Данные элементы необходимы для относительной центровки РУСа в скважине и обеспечения необходимого зацепления за счет трения о стенки скважины для ее статичного положения в момент начала вращения вала-ротора 7, а также для предотвращения преждевременного износа тела втулки-статора 1 из-за постоянного контакта со стенкой скважины.

Между различными модулями РУС присутствует только электрическая связь.

Все вышеперечисленные модули монтируются в пазы, выполненные в основном корпусе втулки-статора 1 методом фрезерования, и крепятся необходимым количеством винтов. Пазы в случае необходимости имеют сквозные окна во внутреннюю полость втулки-статора 1 для шестерен отбора мощности и датчиков Холла.

Таким образом, достигнута модульность конструкции РУСа, позволяющая в случае выхода из строя или выработки ресурса межсервисного интервала заменить один или несколько модулей без вмешательства в остальные модули РУС.

Принцип работы

На фиг. 3 показан разрез РУС в районе отклоняющих модулей в статичном состоянии, при отсутствии вращения труб бурового инструмента и, соответственно, вала-ротора 7, проходящего насквозь через втулку-статор 1 РУСа, поршни 8 с пластинами 25 находятся в положении, соответствующем минимальному радиусу описанной окружности, таком, что диаметр описанной вокруг них окружности меньше диаметра используемого долота.

При запуске вращения буровой колонны втулка-статор 1 РУСа остается условно неподвижной за счет трения о стенки скважины или вращается со скоростью значительно ниже скорости вращения вала-ротора 7. Таким образом, возникает разница оборотов втулки-статора 1 и вала-ротора 7, и именно за счет этого начинают вращаться шестерни отбора мощности 10 привода гидравлического насоса в каждом из отклоняющих модулей 6, создавая избыточное давление в цилиндрах под поршнем 8, и поршни с износостойкими пластинами начинают выдвигаться из корпуса отклоняющего модуля и в какой-то момент упираются в стенки скважины, с равным усилием центрируя и фиксируя положение втулки-статора 1 РУСа относительно оси скважины.

Также при начале вращения бурового инструмента и, соответственно, вала-ротора 7 начинает работать генератор, в случае его наличия, а также модуль управления 2, который определяет наличие вращения по показаниям датчика Холла либо по появлению напряжения на линии генератора. Так как запуск модуля управления 2 происходит с небольшой задержкой после начала вращения вала-ротора 7, то к моменту запуска модуля втулка-статор 1 РУСа будет находиться в центрированном относительно стенок скважины положении, поскольку поршни с износостойкими пластинами 8 уже выдвинулись и зафиксировались на стенках скважины. Далее модуль управления измеряет зенитный угол, под которым в данный момент находится втулка-статор 1, и определяет расположение отклоняющих модулей 6. Затем, по команде модуля управления 2, который изменяя степень открытия клапанов как впускных, так и выпускных, изменяет тем самым давление на поршни 8 и, соответственно, изменяет взаимное расположение отклоняющих пластин, и РУС стремится изменить свое положение относительно оси скважины в направлении, противоположном приложенной к стенке скважины результирующей от нескольких поршней силы. Если два поршня 8 с пластинами, расположенные в нижней полусфере, выдвинуты на одинаковое расстояние с одинаковой силой, результирующая сила направлена вертикально вниз, а РУС стремится отклониться от оси скважины вертикально вверх, и если бурить подобным образом, зенитный угол скважины будет увеличиваться. Таким образом, управляя клапанами, можно достигнуть отклонения РУСа от оси скважины в любом направлении.

Вращение вала-ротора 7 может осуществляться не только за счет ротора буровой установки или силового верхнего привода, но и за счет дополнительно устанавливаемого в компоновку элемента, силовой секции винтового забойного двигателя. Также данный элемент может устанавливаться для увеличения числа оборотов вала-ротора 7.

Принцип передачи нисходящих команд

Передача команд РУСу для исполнения может осуществляться путем изменения скорости вращения бурового инструмента в сторону увеличения или уменьшения оборотов вала-ротора 7 от среднего значения по определенной схеме, таким образом, передается номер желаемой команды, список возможных команд с номерами заранее заложен модуль управления. Начало передачи команды происходит в определенный промежуток времени «временное окно» от момента начала вращения, которое может варьироваться при первоначальной постановке задачи РУСу. Например (фиг. 4), в заданный промежуток времени буровая колонна вращается со скоростью 70 оборотов в минуту, и, выполняя схему переключения, мы последовательно начинаем снижать количество оборотов ротора в минуту до 50 и поднимать до 90. Модуль управления 2 посредством датчика Холла принимает и декодирует данную последовательность, сопоставляет ее с номером команды, заложенной в память модуля, и затем начинает ее выполнять.

Также команда может быть принята посредством модуля связи 4, в случае его наличия, и передана в модуль управления 1 для последующего исполнения.

В предлагаемой Роторной управляемой системе можно отказаться от некоторых компонентов для удешевления стоимости или упрощения конструкции. А именно, если не нужна связь с РУСом, то отпадает необходимость в модуле связи и, как следствие, отказа от данного модуля, практически не нужным становиться генератор, будет достаточно батарей. Также при отсутствии модуля связи мы не сможем передавать данные Гамма-каротажа в реальном времени, и существует возможность отказа от датчика Гамма-каротажа модуле управления 1. Используя подобные решения, можно значительно упростить техническое устройство РУСа, уменьшить его габаритные размеры и стоимость.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в составе компоновок низа бурильной колонны при бурении наклонно-направленных, горизонтальных и многозабойных скважин роторным способом. Роторная управляемая система для бурения состоит из не вращающейся относительно стенок скважины втулки-статора, сквозь которую проходит вал-ротор, соединенный с одной стороны с буровым долотом, а с противоположной стороны с трубами бурового инструмента. Во втулке размещены модуль управления, энергетический модуль, модуль связи и несколько отклоняющих модулей. Каждый отклоняющий модуль, а также энергетический модуль имеют шестерню отбора мощности, входящую в зацепление с зубчатым венцом, расположенным на поверхности вала-ротора. Техническим результатом является повышение надежности работы системы, снижение времени и трудозатрат при бурении, повышение работоспособности и долговечности системы. 4 ил.

Роторная управляемая система для бурения, состоящая из не вращающейся относительно стенок скважины втулки-статора, сквозь которую проходит вал-ротор, соединенный с одной стороны с буровым долотом, а с противоположной стороны с трубами бурового инструмента, и в которой размещены модуль управления, энергетический модуль, модуль связи и несколько отклоняющих модулей, и отличающаяся тем, что каждый отклоняющий модуль, а также энергетический модуль имеет шестерню отбора мощности, входящую в зацепление с зубчатым венцом, расположенным на поверхности вала-ротора.