Ориентатор-сигнализатор

 

Изобретение относится к технике бурения геолого-разведочных скважин и предназначено для ориентирования технических средств направленного бурения с получением сигнала о завершении процесса их ориентирования в скважине. Сущность изобретения: ориентатор-сигнализатор содержит корпус, имеющий две противоположно направленные винтовые поверхности и опорный бурт. Внутри корпуса расположены подвижный вал с осевым каналом, радиальными отверстиями и перемычкой, имеющий разъемное соединение с валом отклонителя, прижимная и подвижная втулки и размещенный между последними шарик. Прижимная втулка имеет бурт для взаимодействия с корпусом. Подвижная втулка установлена на валу в месте размещения перемычки и радиальных отверстий и подпружинена относительно вала в направлении прижимной втулки. В подвижной втулке выполнена расточка для гидравлического соединения полостей над и под перемычкой, а на ее верхнем торце - пазы для размещения шарика и упорный выступ, высота которого численно принимает значение, которое меньше диаметра шарика и больше разности диаметра шарика и глубины пазов для размещения шарика. Изобретение обеспечивает повышение надежности в работе ориентатора-сигнализатора. 5 ил.

Изобретение относится к технике бурения геологоразведочных скважин и предназначено для ориентирования технических средств направленного бурения (отклонителей) с получением сигнала о завершении процесса их ориентирования в скважине.

Известно устройство для ориентирования отклонителей, включающее корпус, имеющий опорный бурт, подвижный вал с осевым каналом, радиальными отверстиями, перемычкой и двумя противоположно направленными винтовыми поверхностями, подвижную прижимную втулку, пазы для размещения шарика и шарик, расположенный между корпусом и валом с возможностью взаимодействия с винтовыми поверхностями (патент США 2632630, кл. 166-117.5, 1949). При этом пазы для размещения шарика выполнены на опорном бурте корпуса, а прижимная втулка в процессе ориентирования опирается на шарик.

Недостатком известного устройства является низкая надежность работы. Это обусловлено следующими причинами. Во-первых, затруднено определение момента окончания и хода процесса ориентирования из-за отсутствия элементов, обеспечивающих получение контрольного сигнала. Во-вторых, в процессе ориентирования на контакт "шарик - винтовая поверхность" действует усилие, необходимое для перемещения отклонителя от забоя скважины, величина которого зависит от состояния стенок скважины, величины зенитного угла и, особенно, конструкции отклонителя. Так, предварительная постановка бесклиновых отклонителей непрерывного действия на забой скважины, требующаяся для перевода известного устройства для ориентирования отклонителей из транспортного в промежуточное рабочее положение для проведения операции ориентирования, сопровождается раскреплением отклонителя в стволе скважины (см., например, Морозов Ю.Т. Методика и техника направленного бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Л.: Недра, 1987, с. 106-111). Поэтому отрыв от забоя для осуществления операции ориентирования происходит при значительных осевых нагрузках, приводящих к большим контактным нагрузкам на винтовой поверхности, что вызывает на них задиры, вмятины и т.д. и приводит к поломкам перемычек между пазами для размещения шарика. В-третьих, в процессе ориентирования шарик постоянно зажат между тремя элементами (корпусом, прижимной втулкой и винтовой поверхностью) и не может свободно перекатываться по винтовой поверхности, что приводит к увеличению сопротивления перемещению шарика и соответственно снижению надежности работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является ориентатор-сигнализатор по а.с. 1488452, кл. Е 21 В 47/02, 1987. Ориентатор-сигнализатор включает корпус, имеющий две противоположно направленные винтовые поверхности, и опорный бурт, подвижный вал с осевым каналом, радиальными отверстиями и перемычкой, подвижную прижимную втулку, пазы для размещения шарика и шарик, размещенный между корпусом и валом с возможностью взаимодействия с винтовыми поверхностями. При этом пазы для размещения шарика выполнены на верхнем торце бурта вала, а устройство, кроме того, снабжено вторым шариком, установленным между прижимной втулкой и дополнительными буртами на подвижном валу и в корпусе устройства, и контрольным пазом для размещения второго шарика, выполненным в дополнительном бурте корпуса устройства. При требуемой ориентации отклонителя при постановке его на забой скважины второй шарик находится в контрольном пазе, а прижимная втулка упирается своим опорным буртом в дополнительный бурт корпуса. При ориентации отклонителя, отключающейся от требуемой, прижимная втулка опирается в дополнительный бурт корпуса через второй шарик, не находящийся в контрольном пазе.

Недостатком данного устройства является низкая надежность работы, обусловленная следующими причинами. Во-первых, как и в указанном выше устройстве (патент США 2632630, кл. 166-117.5), на контакт "шарик - винтовая поверхность" при ориентировании действует усилие, необходимое для отрыва отклонителя от забоя скважины. Во-вторых, шарик фиксируется в пазах для его размещения только за счет его силы тяжести, что не позволяет использовать данное устройство для ориентирования отклонителей при бурении горизонтальных и восстающих скважин. А при бурении наклонных скважин это вызывает необходимость соблюдения определенных соотношений между глубиной пазов, диаметром шарика и шагом винтовых поверхностей, при которых исключается перекатывание шарика из одного паза в другой в процессе ориентирования, что приводит к ограничению числа пазов и уменьшению шага винтовых поверхностей. В первом случае снижается точность ориентации, во втором - уменьшается величина создаваемого данным устройством момента на проворот отклонителя. Таким образом, перечисленные недостатки снижают надежность в работе устройства в целом.

Настоящее изобретение повышает надежность в работе ориентатора-сигнализатора.

Для этого известный ориентатор-сигнализатор, содержащий корпус, имеющий две противоположно направленные винтовые поверхности и опорный бурт, подвижный вал с осевым каналом, радиальными отверстиями и перемычкой, подвижную прижимную втулку, пазы для размещения шарика и шарик, расположенный между корпусом и валом с возможностью взаимодействия с винтовыми поверхностями, дополнительно снабжен подвижной втулкой, установленной на валу в месте размещения перемычки и радиальных отверстий и подпружиненной относительно вала в направлении прижимной втулки, в подвижной втулке выполнена расточка для гидравлического соединения полостей над и под перемычкой, пазы для размещения шарика выполнены на верхнем торце подвижной втулки, который снабжен упорным выступом, при этом высота упорного выступа отвечает соотношению d - h < l < d, (1) где d - диаметр шарика, мм; h - глубина пазов для размещения шарика, мм; l - высота упорного выступа, мм.

Снабжение ориентатора-сигнализатора подвижной втулкой, установленной на валу и подпружиненной относительно подвижного вала в направлении прижимной втулки, с одновременным выполнением пазов для размещения шарика на данной подвижной втулке обеспечивает независимость ограниченных продольных перемещений подвижного вала и размещающегося в пазах подвижной втулки шарика в процессе ориентирования отклонителя. Благодаря этому при отрыве отклонителя от забоя скважины для его ориентирования подвижный вал ориентатора-сигнализатора свободно занимает свое первоначальное положение, воспринимая при этом необходимое для отрыва отклонителя от забоя скважины усилие, а ориентирование отклонителя происходит при независимом ходе подвижной втулки под действием усилия деформированной пружины.

Установка подвижной втулки на валу в месте размещения перемычки и радиальных отверстий и выполнение в подвижной втулке расточки для гидравлического соединения полостей над и под перемычкой обеспечивает получение гидравлических сигналов в виде повышения давления (уменьшения расхода) промывочной жидкости при относительных перемещениях подвижной втулки и подвижного вала, свидетельствующих о характере протекания процесса ориентирования отклонителя.

Благодаря снабжению верхнего торца подвижной втулки, кроме пазов для размещения шарика, упорным выступом для взаимодействия с нижним торцем прижимной втулки шарик в процессе ориентирования (при отрыве отклонителя от забоя скважины) находится в пазах для его размещения независимо от зенитного угла скважины. При этом соблюдение соотношения (1) гарантирует, что шарик не будет, с одной стороны, зажат между прижимной и подвижной втулками, что снижает сопротивление перемещению шарика по винтовым поверхностям стакана в процессе ориентирования, с другой - что шарик не будет перекатываться из одного паза для его размещения в другой в процессе ориентирования при любых соотношениях глубины пазов и шага винтовых поверхностей.

Таким образом, предлагаемая конструкция ориентатора-сигнализатора за счет исключения воздействия необходимого для отрыва отклонителя от забоя скважины усилия на контакт "шарик - винтовая поверхность" и гарантированности нахождения шарика в пазу для его размещения независимо от зенитного угла, причем шарик при этом не зажат между прижимной и подвижной втулками, обеспечивает повышение надежности работы устройства.

На фиг.1 изображен ориентатор-сигнализатор в транспортном положении, общий вид; на фиг.2 - то же, при постановке на забой скважины; на фиг.3 - то же, в процессе ориентирования отклонителя при отрыве его от забоя скважины; на фиг.4, 5 - расчетные схемы для определения расстояния между вершинами пазов для размещения шарика и торцем прижимной втулки.

Ориентатор-сигнализатор содержит (фиг.1) корпус, состоящий из верхней 1 и нижней 2 частей, соединенных между собой ниппелем 3, верхний торец которого является внутренним опорным буртом. В верхней части 1 корпуса установлен жестко связанный с ним стакан 4 с двумя противоположно направленными винтовыми поверхностями 5, образующими ориентирующий паз на его нижнем торце, обращенном к верхнему торцу ниппеля 3.

Внутри корпуса, коаксиально ему, расположены подвижный вал 6 с возможностью вращения и осевых перемещений и шлицевая втулка 7. При этом подвижный вал 6 и шлицевая втулка 7 благодаря выполнению шлиц только в нижней части шлицевой втулки 7 имеют разъемное шлицевое соединение. Подвижный вал 6 снабжен буртом 8 для взаимодействия с верхним торцом корпуса в транспортном положении ориентатора-сигнализатора. На подвижном валу 6 установлены, с возможностью ограниченных продольных перемещений относительно него, прижимная 9 и подвижная 10 втулки, подпружиненные с помощью пружин 11 и 12 в направлении друг к другу, причем усилие деформации пружины 12 значительно больше усилия деформации пружины 11. Верхний торец пружины 11 опирается в бурт 8 подвижного вала 6, а нижний торец пружины 12 через шайбу 13 - в верхний торец шлицевой втулки 7. Для ограничения продольных перемещений прижимная втулка 9 имеет упорный бурт 14 для взаимодействия с верхним торцем стакана 4 через подшипник скольжения 15, а в подвижной втулке 10 выполнен продольный паз 16, в котором находится головка винта 17, установленного на подвижном валу 6. Между обращенными друг к другу торцами прижимной втулки 9 и подвижной втулки 10 в полости корпуса, ограниченной винтовыми поверхностями 5 стакана 4 и верхним торцем ниппеля 3, размещен шарик 18, а на верхнем торце подвижной втулки 10 выполнены пазы 19 для размещения данного шарика 18 и упорный выступ 20 (фиг. 4, 5) для взаимодействия с нижним торцем прижимной втулки 9, высота которого выбирается таким образом, что выполняется соотношение (1).

Для того чтобы шарик 18 не был зажат в процессе ориентирования между торцами прижимной 9 и подвижной 10 втулок, высота упорного выступа 20 удовлетворяет соотношению (фиг.4) d - h < l, (2) где d - диаметр шарика 18, мм; h - глубина пазов 19 для размещения шарика, мм; l - высота упорного выступа 20, мм.

Для того чтобы шарик 19 не перекатывался из одного паза 19 для его размещения в другой в процессе ориентирования, высота упорного выступа 20 удовлетворяет соотношению (фиг.5) l < d, (3)
где l - высота упорного выступа 20, мм;
d - диаметр шарика 18, мм.

Для прохода промывочной жидкости в подвижном валу 6 и шлицевой втулке 7 выполнен осевой канал 21, разделенный в шлицевом валу 6 перемычкой 22, выше и ниже которой в валу 6 выполнены радиальные отверстия 23, а в подвижной втулке 10 имеется расточка 24 для соединения полостей над и под перемычкой 22.

Нижняя часть корпуса 2 и шлицевая втулка 7 снабжены резьбами 25 и 26 для соединения соответственно с корпусом и валом отклонителя, а подвижный вал 6 резьбой (не показано) для соединения с колонной бурильных труб.

Ориентатор-сигнализатор работает следующим образом.

На поверхности с помощью резьб 25 и 26 ориентатор-сигнализатор соединяется с отклонителем и с помощью узла установки последнего производят настройку на проектный угол установки. Для этого ориентирующий паз стакана 4, образованный его винтовыми поверхностями 5, устанавливают так, что направление искривления ствола скважины отклонителем составляет по отношению к ориентирующему пазу проектный угол установки. Подготовленный таким образом комплекс, включающий отклонитель и ориентатор-сигнализатор, доставляется на колонне бурильных труб на забой скважины. Перед постановкой комплекса на забой включается подача промывочной жидкости, которая через осевой канал 21, радиальное отверстие 23, расточку 24 и вновь радиальное отверстие 23 и осевой канал 21 свободно поступает на забой скважины (фиг.1).

Затем комплекс кратковременно ставят на забой скважины. При этом (фиг.2) подвижный вал 6 смещается вниз до взаимодействия его нижнего торца с торцем шлицевой втулки 7 (на величину S₀). Одновременно с подвижным валом 6 за счет взаимодействия с винтом 17 вниз (также на величину S₀) смещается подвижная втулка 10, сжимая пружину 12. Подпружиненная относительно подвижного вала 6 с помощью опирающейся на бурт 8 пружины 11 прижимная втулка 9 перемещается до взаимодействия ее упорного бурта 14 с верхним торцем стакана 4 через подшипник 15 (на величину (S₁<S). Перемещаясь вниз, прижимная втулка 9 обеспечивает принудительное перемещение шарика 18 из ориентирующего паза стакана 4 в направлении верхнего торца ниппеля 3 (на величину S₁). При этом при максимальном перемещении прижимной втулки 9 (на величину S₁) шарик 18 не зажат между нижним торцем прижимной втулки 9 и верхним торцем ниппеля 3, что обеспечивается за счет выполнения соотношения
H₁ > H₂ + d, (4)
где H₁ - расстояние от нижнего торца прижимной втулки 9 до верхнего торца ниппеля 3, мм;
H₂ - расстояние от нижнего торца подшипника 15 до нижнего торца прижимной втулки 9, мм;
d - диаметр шарика 18, мм.

При перемещении подвижной втулки 10 на величину S₀ шарик 18 за счет взаимодействия с верхним торцем ниппеля 3 освобождается из пазов 19 для его размещения, что обеспечивается путем выполнения соотношения
H₃ < S₀, (5)
где Н₃ - расстояние от верхнего торца подвижной втулки 10 до верхнего торца ниппеля 3, мм;
S₀ - расстояние между взаимодействующими торцами подвижного вала 6 и шлицевой втулки 7, мм.

Таким образом, шарик 18 при максимальном перемещении подвижного вала (на величину S₀) находится между верхним торцем ниппеля 3 и нижним торцем прижимной втулки 9. Имея возможность свободно устанавливаться в крайнее нижнее положение в апсидальной плоскости скважины, шарик 18 смещается относительно ориентирующего паза стакана 4 на угол, соответствующий разности проектного и фактического углов установки отклонителя. В зависимости от зенитного угла скважины шарик 18 будет опираться или на верхний торец ниппеля 3 в наклонных скважинах, или на нижний торец прижимной втулки 9 в восстающей скважине.

Промывочная жидкость при постановке комплекса на забой через осевой канал 21, радиальные отверстия 23, расточку 24 и вновь осевой канал 21 постоянно свободно поступает на забой скважины.

После этого производится отрыв комплекса от забоя, во время которого не допускается угловой поворот колонны бурильных труб. Подвижный вал 6 перемещается вверх до взаимодействия его бурта 8 с верхним торцем корпуса. Одновременно под действием деформированной пружины 12 происходит перемещение вверх подвижной втулки 10. Перемещаясь вверх, подвижная втулка 10 захватывает шарик 18, установившийся в крайнем нижнем положении в апсидальной плоскости скважины, и, упираясь упорным выступом 20 в прижимную втулку 9, фиксирует шарик 18 в одном из своих пазов.

Выполнение соотношения (2) гарантирует, что (фиг.4) шарик 18 не будет в процессе ориентирования зажат между торцами прижимной 9 и подвижной 10 втулок и обеспечивает необходимую подвижность шарика 18 в пазах 19, что снижает сопротивление перемещению шарика 18 по винтовым поверхностям 5 стакана 4. При меньшей высоте упорного выступа 20 шарик 18 будет зажат между подвижной 10 и прижимной 9 втулками, что приведет к возрастанию сопротивления перемещению шарика 18 по винтовым поверхностям 5 и соответственно уменьшению надежности ориентирования отклонителя.

Выполнение соотношения (3) гарантирует, что (фиг.5) шарик 18 не будет перекатываться из одного паза 19 для его размещения в другой в процессе ориентирования отклонителя и обеспечивает работоспособность устройства независимо от зенитного угла скважины при любых соотношениях глубины пазов 19 и шага винтовых поверхностей 5. При большей высоте упорного выступа 20 шарик 18 может перекатываться из одного паза 19 в другой в процессе ориентирования, особенно при малых значениях глубины пазов (менее половины диаметра шарика 18) и большом шаге винтовых поверхностей. Это вызовет необходимость соблюдения определенных соотношений между глубиной пазов, диаметром шарика и шагом винтовых поверхностей и приведет к ограничению числа пазов 19 и уменьшению шага винтовых поверхностей 5. А при ориентировании отклонителей в горизонтальных скважинах устройство будет неработоспособным, так как шарик 18 будет опираться на торец прижимной втулки 9, не фиксируясь в пазах 19.

Дальнейшее перемещение подвижной втулки 10 под действием пружины 12 происходит совместно с шариком 18, постоянно находящимся в одном и том же пазу 19, и прижимной втулкой 9. После набегания шарика 18 на винтовую поверхность 5 стакана 4 возможно возникновение двух ситуаций.

Первая - усилия пружины 13 недостаточны, например, из-за прихвата отклонителя на забое, для возврата отклонителя в транспортное положение (фиг.3). Дальнейшее перемещение шарика 19 вверх возможно только по винтовым поверхностям 5 при одновременном угловом повороте отклонителя, что в данном случае невозможно. Поэтому шарик 18 и упирающаяся через него в винтовую поверхность 5 подвижная втулка 10 перестают перемещаться вверх. В то же время подвижный вал 6, будучи связанным с колонной бурильных труб, продолжает перемещаться вверх. При этом прижимная втулка 9, упираясь своим нижним торцем в упорный выступ 20, также остается неподвижной. Вследствие относительного перемещения подвижного вала 6 и подвижной втулки 10 радиальные отверстия 23 перекрываются последней и на поверхности отмечается повышение давления и уменьшение расхода промывочной жидкости. После того как бурт 8 упрется в верхний торец корпуса, отклонитель принудительно, через его корпус, связанный с корпусом ориентатора-сигнализатора, отрывается от забоя и переводится в транспортное положение. Как только отклонитель переводится в транспортное положение, под действием пружины 12 подвижная 10 и прижимная 9 втулки с шариком 18 перемещаются в верхнее положение. При этом за счет взаимодействия шарика 18 и винтовых поверхностей 5 связанного с корпусом стакана 4 происходит поворот корпуса ориентатора-сигнализатора и соединенного с ним отклонителя на угол, равный углу между ориентирующим пазом стакана 4 и зафиксированным в крайнем нижнем положении в апсидальной плоскости шариком 18, что соответствует разности проектного и фактического углов установки отклонителя и, таким образом, производится ориентирование отклонителя. Благодаря разъемному соединению подвижного вала 6 и шлицевой втулки 7 облегчается данный поворот корпуса ориентатора-сигнализатора, так как вал отклонителя может свободно поворачиваться одновременно с корпусом отклонителя, что исключает необходимость проворота корпуса отклонителя относительно его вала. После перемещения подвижной втулки 10 в верхнее положение радиальные отверстия 23 вновь гидравлически сообщаются между собой через расточку 24, и промывочная жидкость свободно поступает на забой скважины (фиг.1). Получение сигнала о восстановлении нормальных рабочих величин давления и расхода промывочной жидкости свидетельствует об окончании процесса ориентирования отклонителя.

Вторая ситуация - отклонитель возвращается в транспортное положение под действием усилия пружины 12. В этом случае, так как возможно свободное вращение отклонителя, при набегании шарика 18 на винтовую поверхность 5 стакана 4 под действием усилия пружины 12 сначала отклонитель возвращается в транспортное положение, а затем происходит поворот корпуса ориентатора-сигнализатора и связанного с ним отклонителя на угол, равный углу между ориентирующим пазом стакана 4 и шариком 18, зафиксированном в одном из пазов для его размещения 19 в крайнем нижнем положении апсидальной плоскости скважины, и производится ориентирование отклонителя. При этом перемещение подвижной втулки 10 и подвижного вала 6 происходит синхронно. Поэтому промывочная жидкость постоянно свободно через осевой канал 21, радиальные отверстия 23 и расточку 24 поступает на забой. На поверхности не отмечается, как в первом случае, сигнала о повышении давления и уменьшении расхода промывочной жидкости.

Таким образом, получение сигнала о нормальных величинах давления и расхода промывочной жидкости после отрыва комплекса от забоя свидетельствует об окончании процесса ориентирования отклонителя. Причем получение при отрыве комплекса от забоя скважины сигнала в виде кратковременного повышения давления и уменьшения расхода промывочной жидкости указывает, что ориентирование отклонителя сопровождается его прихватом на забое скважины и, следовательно, значительным моментом на проворот отклонителя. В этом случае, для повышения точности ориентирования путем уменьшения влияния скручивания колонны бурильных труб под действием момента, необходимого для проворота отклонителя, необходимо повторить процесс ориентирования в описанной выше последовательности.

После проведения операции ориентирования отклонителя комплекс без проворота колонны бурильных труб устанавливается на забой скважины (фиг.2) и производится ее искривление.

Применение предлагаемого устройства для ориентирования отклонителей за счет исключения воздействия усилия, необходимого для отрыва отклонителя от забоя скважины, на контакт "шарик - винтовая поверхность", гарантированности нахождения шарика в пазу для его размещения, причем не зажатого между прижимной и подвижной втулками, и контроля за процессом ориентирования позволяет повысить надежность работы устройства в различных горно-геологических условиях.

Условный экономический эффект может быть подсчитан следующим образом. При среднем количестве отрицательных и безрезультатных циклов искривления при использовании устройства-аналога, равном 20% от их общего количества, вместо проведения 10 циклов искривления для выполнения геологического задания по искривлению скважины требуется произвести 14 циклов искривления. При сокращении количества отрицательных и безрезультатных циклов при использовании заявляемого устройства до 10% за счет устранения отказов, вызванных поломками деталей из-за значительных нагрузок на контакт "шарик - винтовая поверхность" и перекатывания шарика в процессе ориентирования отклонителя из одного паза в другой, потребуется 11 циклов искривления. Таким образом, затраты на проведение работ по искусственному искривлению при применении предлагаемого устройства сократятся в 1,3 раза.

Формула изобретения

Ориентатор-сигнализатор, содержащий корпус, имеющий две противоположно направленные винтовые поверхности и опорный бурт, подвижный вал с осевым каналом, радиальными отверстиями и перемычкой, подвижную прижимную втулку, пазы для размещения шарика и шарик, расположенный между корпусом и валом с возможностью взаимодействия с винтовыми поверхностями, отличающийся тем, что он снабжен подвижной втулкой, установленной на валу в месте размещения перемычки и радиальных отверстий и подпружиненной относительно вала в направлении прижимной втулки, в подвижной втулке выполнена расточка для гидравлического соединения полостей над и под перемычкой, пазы для размещения шарика выполнены на верхнем торце подвижной втулки, последний снабжен упорным выступом, при этом высота упорного выступа отвечает соотношению d-h<1<d, где d - диаметр шарика, мм; h - глубина пазов для размещения шарика, мм; 1 - высота упорного выступа, мм.

РИСУНКИ

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