Компоновка низа бурильной колонны для направленного бурения скважины

 

Изобретение относится к инструменту, применяемому для проводки наклонно-направленного ствола скважины с использованием забойного двигателя. Изобретение позволит повысить точность установки отклонителя во всем круговом секторе азимутального направления от 0 до 360° непосредственно во время бурения без вмешательства оператора (автоматически). Компоновка низа бурильной колонны для направленного бурения состоит из долота, соединенного посредством шарнирной муфты с валом забойного двигателя. Муфта расположена внутри переводника, соединенного под углом с корпусом забойного двигателя. Корпус двигателя соединен с немагнитной утяжеленной бурильной трубой, внутри которой размещены измерительный модуль, микропроцессор и блок питания. Немагнитная труба с помощью вертлюжного соединения подвешена на бурильных трубах. В верхней части немагнитной трубы расположен прерыватель ее связи с бурильными трубами с фиксатором. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к бурению скважины забойным двигателем, а именно к техническим средствам для бурения наклонно-направленной скважины с обеспечением направления ствола скважины без извлечения инструмента на поверхность.

Известна компоновка низа бурильной колонны для направленного бурения скважины, включающая породоразрушающий инструмент, кривой переводник с расположенной внутри него шарнирной соединительной муфтой, забойный двигатель и над ним измерительный модуль с датчиком угла наклона и азимута ствола скважины, азимутального угла установки отклонителя - кривого переводника и блоком питания, бурильную колонну (1).

Выдерживание траектории ствола скважины осуществляется с помощью электромагнитной системы получения скважинной информации в процессе бурения (MWD).

Имея на поверхности на табло монитора данные об азимуте скважины, угле наклона ствола, азимутальном угле установки плоскости симметрии кривого переводника в скважине на данный момент, бурильщик может ориентировать компоновку в нужном направлении и получить информацию с забоя.

Недостатком указанного устройства является неустойчивость процесса ориентирования ввиду непредсказуемого закручивания колонны (из-за сил трения между колонной и стенкой скважины) - круговое перемещение нижнего конца практически никогда не бывает адекватно повороту колонны, произведенному на поверхности.

Кроме того, в процессе бурения скважины происходит закручивание бурильной колонны под действием реактивного момента забойного двигателя, что влияет на текущую токсичность установки отклонителя.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является компоновка низа бурильной колонны для направленного бурения скважины, включающая долото, отклонитель с забойным двигателем, бурильные трубы и установленный между отклонителем и забойным двигателем прерыватель их связи в виде зубчатого конца на корпусе двигателя и фиксатора отклонителя с возможностью взаимодействия с венцом в рабочем положении (2).

Указанная компоновка позволяет исключить влияние реактивного момента забойного двигателя на точность установки отклонителя во время бурения.

Недостатком компоновки является недостаточная надежность работы и невозможность изменения азимутального направления ствола скважины непосредственно в процессе бурения.

Задачей изобретения является точность установки отклонителя во всем круговом секторе азимутального направления от 0 до 360^o непосредственно во время бурения без вмешательства оператора.

Указанная задача решается тем, что в компоновке низа бурильной колонны для направленного бурения скважины, включающей долото, отклонитель с забойным двигателем, бурильные трубы и установленный между отклонителем и двигателем прерыватель их связи в виде зубчатого венца на корпусе забойного двигателя и фиксатора отклонителя с возможностью взаимодействия с венцом в рабочем положении, между бурильными трубами и забойным двигателем установлена немагнитная труба с размещенными внутри нее измерительным модулем, микропроцессором и блоком питания, в верхней части немагнитной трубы расположен прерыватель ее связи с бурильными трубами в виде жестко связанного с ними двухрядного зубчатого венца, причем один ряд развернут относительно другого на величину половины шага зубьев, а фиксатор отклонителя представлен втулкой, жестко связанной с немагнитной трубой, со сквозными последовательно расположенными в диаметральной плоскости пазами, в которых размещены с возможностью радиального перемещения пластины, шарнирно связанные между собой центральным толкателем с концевыми проточками, запираемым при крайних положениях пластин замком с электромагнитом, связанным с измерительным модулем и микропроцессором, при этом замок выполнен в виде шаров, размещенных во втулке и взаимодействующих с концевыми проточками толкателя в его крайних положениях и фиксируемыми подпружиненным протектором.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря размещенным в немагнитной трубе измерительному модулю, микропроцессору и блоку питания обеспечивается замер фактических пространственных данных траектории ствола скважины, сравнение их с проектными и выдача сигнала для срабатывания прерывателя в случае расхождения фактических и проектных данных без участия оператора.

Расположение прерывателя связи между немагнитной трубой и бурильными трубами позволяет использовать реактивный момент забойного двигателя как исполнительный механизм для кругового перемещения отклонителя, а выполнение прерывателя в виде жестко связанного с бурильными трубами двухрядного зубчатого венца, причем один ряд развернут относительно другого на величину половины шага зубьев, и фиксатора в виде жестко связанной с немагнитной трубой втулки со сквозными последовательно расположенными в диаметральной плоскости продольными пазами, в которых размещены с возможностью радиального перемещения пластины, шарнирно связанные между собой центральным толкателем, запираемым при крайних положениях замком, обеспечивает шаговый (дискретный) характер кругового перемещения отклонителя, что повышает точность установки отклонителя.

Наличие замка с электромагнитом, связанным с измерительным модулем и микропроцессором, выполненного в виде шаров, размещенных во втулке и взаимодействующих с концевыми проточками толкателей в его крайних положениях и фиксируемыми подпружиненным протектором, позволяет при ликвидации расхождения между фактическим замером азимутального направления ствола скважины и заложенным в память микропроцессора проектным азимутом осуществить посредством включения и выключения шаговый характер поворота и обеспечить жесткую связь между бурильной колонной и отклонителем после совпадения фактического и проектного замера.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими изображениями.

На фиг. 1 представлен продольный разрез компоновки низа бурильной колонны для направленного бурения скважины, на фиг. 2 - выносной элемент "А" фиг. 1, на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 2, на фиг. 4 - сечение В-В фиг. 2, на фиг. 5 - сечение Г-Г фиг. 2.

Компоновка низа бурильной колонны (КНБК) для направленного бурения скважины (фиг. 1) состоит из долота 1, соединенного посредством шарнирной соединительной муфты 2 с валом 3 забойного двигателя.

Муфта расположена внутри переводника-стабилизатора 4, соединенного под углом с корпусом 5 забойного двигателя. Долото, переводник и забойный двигатель образует отклонитель. Корпус 5 забойного двигателя соединен с немагнитной утяжеленной бурильной трубой 6, внутри которой размещены измерительный модуль 7, микропроцессор 8, блок питания 9. Немагнитная труба с помощью вертлюжного соединения 10 подвешена на бурильной колонне. В верхней части немагнитной трубы расположен прерыватель 11 ее связи с бурильными трубами 12.

Прерыватель связи (фиг. 2) состоит из жестко связанного с бурильными трубами двухрядного зубчатого венца 13, причем один ряд развернут относительно другого на величину половины шага зубьев (фиг. 4 и фиг. 5). С зубчатым венцом соединена с возможностью вращения на шарах 14 немагнитная труба 6, верхняя часть которой - фиксатор - представлена втулкой 15 со сквозными последовательно расположенными в диаметральной плоскости пазами 16, в которых размещены с возможностью радиального перемещения пластины 17 с профильными выступами, соответствующими профилю зубьев венца 13. Пластины с помощью шарнирных рычагов 18 связаны с центральным толкателем 19. В нижней части толкателя выполнены кольцевые проточки 20, а нижняя часть втулки 15 образует обойму 21, в отверстиях 22 которой размещены шары 23, взаимодействующие с проточками 20. На наружную поверхность обоймы смонтирован протектор 24 с выемкой 25. Протектор связан с электромагнитом 26 и опирается на пружину 27. Электромагнит жестко связан с немагнитной трубой штифтом 28. Вертлюжное соединение 10 загерметизировано уплотнением 29. Взаимное угловое положение между бурильной колонной и отклонителем определяется с помощью сенсора - линейного потенциометра 30, контактирующего с торцом 31 корпуса венца 13. Циркуляция промывочной жидкости осуществляется через отверстия 32 втулки 15.

Возможны два режима работы компоновки: - бурение в направлении плоскости симметрии отклонителя при соответствующей его установке и жесткой его связи с бурильной колонной - для коррекции направления ствола согласно проектной траектории. Долото вращается забойным двигателем, 2 стабилизатора и долото служат тангенциальными точками, определяющими траекторию (радиус скважины) ориентированной КНБК; - бурение прямых участков, не выходящих из проектной траектории ствола - при отсутствии жесткой связи КНБК с бурильной колонной, когда долото вращается забойным двигателем с одновременным вращением КНБК под действием реактивного момента.

При бурении направленных участков траектории ствола скважины (со стабилизированным зенитным углом наклона и азимутом) электромагнит 26 выключен (обесточен). В этом положении протектор 24 под действием пружины 27 поднят и своей внутренней цилиндрической поверхностью загоняет шары 23, размещенные в обойме 22, в кольцевую проточку 20 центрального толкателя 19, шарнирно связанного рычагами 18 с пластинами 17. Положение кольцевой проточки 20 на толкателе рассчитано таким образом, что оно соответствует полному зацеплению с зубчатым венцом 13 одной пары пластин 17 (фиг. 4) и выходу из зацепления другой пары пластин (фиг. 5).

Благодаря зацеплению одной пары пластин 17, размещенных в пазу 16 втулки 15, являющейся верхней частью немагнитной трубы 6, с зубчатым венцом 13, жестко связанным с бурильными трубами 12, осуществляется жесткая связь КНБК с бурильной колонной.

Во время бурения в микропроцессор 8 постоянно поступают с измерительного модуля 7 данные фактического азимутального (углового) положения плоскости симметрии отклонителя. С поверхности в микропроцессор посылается закодированный сигнал, несущий информацию глубины скважины, который вызывает из памяти данные для глубины проектного азимутального направления бурения ствола скважины. В случае несовпадения направления действия отклонителя с заданным азимутом процессор выдает сигнал на включение электромагнита 26, который, преодолевая сопротивление пружины 27, втягивает протектор 24 до расположения выемки 25 над шарами 23. В этом положении шары не препятствуют продольному перемещению толкателя 19, которое произойдет за счет выдавливания выступов пластин 17 из впадин зубьев венца 13. За счет постоянно действующего реактивного момента двигателя по мере выхода из зацепления одной пары пластин, другая пара пластин входит в зацепление с венцом 13. Включая и выключая электромагнит, можно осуществлять поворот КНБК (под действием реактивного момента двигателя) в шаговом режиме с различными величинами углового перемещения, в зависимости от временных интервалов подачи импульсов включения - выключения.

Принудительное совмещение направления действия отклонителя с заданным азимутом будет достигнутом последовательными шаговыми поворотами КНБК под действием реактивного момента забойного двигателя за счет дискретного прерывания и восстановления жесткой связи между КНБК и бурильной колонной с помощью прерывателя 11. После совмещения направления действия отклонителя и требуемого (проектного) азимута скважины жесткую связь отклонителя с бурильными трубами сохраняют восстановленной путем отключения электромагнита 26, обеспечивая тем самым углубление ствола в требуемом (заданном) азимутальном направлении.

При возможном рассогласовании азимутальных направлений в ходе дальнейшего бурения принудительное их совмещение повторяется в описанной последовательности в автоматическом режиме при подаче сигнала с поверхности о текущей глубине скважины, например, через каждые 0,5 м.

В режиме постоянного включения электромагнита жесткая связь КНБК с бурильной колонной отсутствует. В этом случае осуществляется бурение с повышенной эффективностью стабилизированного по направлению прямых участков ствола скважины долотом, вращаемым забойным двигателем с одновременным вращением КНБК под действием реактивного момента.

Предложенная компоновка низа бурильной колонны для направленного бурения скважины позволит повысить точность проводки, сократить сроки бурения направленных скважин, улучшить качество ствола скважины и увеличить показатели нефтеотбора при эксплуатации скважины.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки 1. Композит-каталог США за 1992 - 1993 г.г., том. I, с. 1109 - 1114.

2. Авторское свидетельство СССР N 1606672, МКИ E 21 B 7/08, 1988.

Формула изобретения

1. Компоновка низа бурильной колонны для направленного бурения скважины, включающая долото, отклонитель с забойным двигателем, бурильные трубы и установленный между отклонителем и двигателем прерыватель их связи в виде зубчатого венца на корпусе забойного двигателя и фиксатора отклонителя с возможностью взаимодействия с венцом в рабочем положении отклонителя, отличающаяся тем, что между бурильными трубами и забойным двигателем установлена немагнитная труба с размещенными внутри нее измерительным модулем, микропроцессором и блоком питания, в верхней части немагнитной трубы расположен прерыватель ее связи с бурильными трубами в виде жесткого связанного с ними двухрядного зубчатого венца, причем один ряд развернут относительно другого на величину половины шага зубьев, а фиксатор отклонителя представлен втулкой, жестко связанной с немагнитной трубой, со сквозными последовательно расположенными в диаметральной плоскости пазами, в которых размещены с возможностью радиального перемещения пластины, шарнирно связанные между собой центральным толкателем с концевыми проточками, запираемым при крайних положениях пластин замком с электромагнитом, связанным с измерительным модулем и микропроцессором.

2. Компоновка по п.1, отличающаяся тем, что замок выполнен в виде шаров, размещенных во втулке и взаимодействующих с проточками на толкателе в его крайних положениях и фиксируемых подпружиненным протектором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5