Шарнирный переходник

 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении искривленных скважин. Сущность изобретения заключается в том, что внутренние проточки цилиндрического разъемного корпуса переходника выполнены полуцилиндрическими радиальными, а нижний торец верхней неподвижной части цилиндрического разъемного корпуса имеет неравностороннюю проточку, одна сторона которой меньше другой на величину, определяемую по формуле, а цилиндрический сердечник установлен перпендикулярно оси шарнирного переходника и жестко соединен с верхней неподвижной частью цилиндрического разъемного корпуса, а гидравлический канал цилиндрического сердечника имеет секторное расширение в его нижней части на величину максимального угла отклонения нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса от оси шарнирного переходника, причем для регулирования угла отклонения в меньшую сторону на торце меньшей стороны внутренней полуцилиндрической радиальной неравносторонней проточки установлен прямой четырехугольный призматический ограничитель с равными основаниями, высота которого параллельна оси цилиндрического сердечника и равна длине последнего, а длина внешней стороны его основания определена по формуле. Изобретение позволяет повысить эффективность и надежность устройства за счет перераспределения нагрузки от крутящего момента. 6 ил.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для расширения скважин в комплекте с породоразрушающим инструментом, бурения интенсивно искривленных скважин с использованием отклоняющего инструмента и забойного двигателя.

Анализ существующего уровня техники показал следующее: - известен шарнирный переходник, содержащий корпус, состоящий из двух частей со сферическими поверхностями с возможностью взаимодействия, осевые клапаны частей корпуса в поперечном сечении, выполненные в виде прямоугольника, шарниры, установленные один под другим и перекрещивающиеся под прямым углом, образованные внутренней поверхностью осевых каналов и наружной поверхностью стержня, а также уплотнитель (см. а.с. 819294, кл. Е 21 В 7/08, от 04.05.79, опубл. в БИ 13, 1981 г.).

Недостатком известного устройства является неэффективность проведения технологических операций в комплекте с ним, а также его низкая эксплуатационная надежность. Шарнирный переходник создает малый, нерегулируемый угол отклонения порядка 6-7^o и, как следствие, каверну малого диаметра в комплекте с породоразрушающим инструментом. Отсутствие возможности регулирования угла отклонения приводит к невозможности создания каверны планируемого диаметра. Кроме того, наличие двух степеней свободы затрудняет управление траекторией при проводке интенсивно искривленных скважин с использованием отклоняющего инструмента и забойного двигателя, а сферические поверхности шарнира сложны в изготовлении. Использование в конструкции устройства цилиндрических резьбовых соединений нецелесообразно в буровой технике, т.е. приводит к эксплуатационной ненадежности за счет возникающих вибраций в процессе бурения.

Известен шарнирный переходник, содержащий прямой переводник и искривленный переводник с жестким углом искривления оси, шарнирно соединенный с прямым переводником при помощи пальцев (см. патент РФ 2054515, кл. Е 21 В 7/08, 11.02.92 г., опубл. в БИ 5, 1996 г.). Кроме того, на переводниках выполнены попарно расположенные цилиндрические контактирующие поверхности, ограничивающие свободный поворот переводников относительно друг друга.

Недостатком известного устройства является неэффективность проведения технологических операций в комплекте с ним, а также его низкая эксплуатационная надежность. Шарнирный переходник невозможно использовать для целей расширения скважин, так как устройство имеет изначальный угол перекоса осей верхней и нижней частей. При проводке интенсивно искривленных скважин реактивный момент забойного двигателя воспринимается только пальцами, что приводит к быстрому изнашиванию. Устройство обеспечивает малый нерегулируемый угол отклонения порядка 12-14^o, что очевидно по представленным чертежам.

В качестве прототипа нами взят шарнирный переходник, содержащий цилиндрический разъемный корпус, состоящий из верхней неподвижной и нижней подвижной относительно нее частей. Наружная и внутренняя торцовая поверхность частей корпуса выполнена сферической (см. патент РФ 2014420, кл. Е 21 В 7/08, 12.06.90 г. , опубл. в БИ 11, 1994 г.). Части корпуса имеют внутренние проточки: в нижнем торце верхней неподвижной части и в верхнем торце нижней неподвижной части. В проточках на цапфах установлен цилиндрический сердечник (полый хвостовик), выполненный в виде двуплечного рычага, одно плечо которого жестко связано с нижней частью корпуса (соединительной втулкой), другое выполнено с опорной боковой поверхностью. Цапфы соединяют верхнюю неподвижную и нижнюю подвижную части цилиндрического разъемного корпуса. Части корпуса, а также цилиндрический сердечник имеют общий гидравлический канал. Кроме того, устройство содержит уплотнительные элементы, расположенные на наружных сферических поверхностях корпуса и двуплечного рычага.

Недостатком известного устройства является неэффективность проведения технологических операций в комплекте с ним, а также его низкая эксплуатационная надежность. Шарнирный переходник создает малый нерегулируемый угол отклонения порядка 6-7^o, что очевидно по представленным чертежам, и, как следствие - каверну малого диаметра в комплекте с породоразрушающим инструментом. Нерегулируемый угол отклонения приводит к невозможности создания каверны планируемого диаметра. Кроме того, бурение сильно искривленных скважин с малым радиусом кривизны невозможно вследствие малого угла отклонения. В известной конструкции отсутствует секторное расширение общего гидравлического канала входного отверстия цилиндрического сердечника, что приводит в процессе работы устройства к появлению дополнительных гидравлических сопротивлений и, как следствие, к неэффективной очистке скважины от шлама при промывке. При бурении же интенсивно искривленных скважин в комплекте с гидравлическим забойным двигателем дополнительные гидравлические сопротивления уменьшают развиваемую им мощность. При расширении скважин с использованием породоразрушающего инструмента с реактивным гидравлическим приводом и разрушающими гидромониторными насадками дополнительные гидравлические сопротивления приведут к потере необходимого перепада давлений, обеспечивающего эффективную работу породоразрушающего инструмента. При проводке интенсивно искривленных скважин реактивный момент забойного двигателя воспринимается только цапфами, что приведет к их быстрому изнашиванию, а при расширении скважин крутящий момент, передаваемый от ротора через колонну труб к шарниру, воспринимается также цапфами, что впоследствии приведет к эксплуатационной ненадежности устройства.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему: - повышается эффективность проведения технологических операций за счет: получения максимального угла отклонения подвижной части шарнирного переходника на 30^o, а также возможности регулирования этого угла в пределах 5-30^o, отсутствия дополнительных гидравлических сопротивлений при отклонении подвижной части шарнирного переходника; - повышается эксплуатационная надежность устройства за счет перераспределения нагрузки от крутящего момента между цапфами и сердечником.

Технический результат достигается с помощью известного шарнирного переходника, состоящего из верхней неподвижной и нижней подвижной относительно нее частей, имеющий внутренние проточки в нижнем торце верхней неподвижной части и в верхнем торце нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса. В проточках на цапфах установлен цилиндрический сердечник, жестко соединенный с одной из частей цилиндрического разъемного корпуса. Цапфы соединяют верхнюю неподвижную и нижнюю подвижную части цилиндрического разъемного корпуса, при этом последние, а также цилиндрический сердечник, имеют общий гидравлический канал. По заявленной конструкции шарнирного переходника внутренние проточки цилиндрического разъемного корпуса выполнены полуцилиндрическими радиальными. Нижний торец верхней неподвижной части цилиндрического разъемного корпуса имеет правостороннюю проточку, одна сторона которой меньше другой на величину, определяемую по формуле Z = r•ϕ, где Z - зазор между меньшей стороной нижнего торца верхней неподвижной части цилиндрического разъемного корпуса и ответной стороной верхнего торца нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса, м; r - радиус цилиндрического сердечника, м; ϕ - максимальный угол отклонения нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса от оси шарнирного переходника, рад, равный

где R - величина максимально возможного отклонения оси скважины от вертикали или максимально возможный радиус расширения скважины, м;
L - расстояние от оси цилиндрического сердечника до нижнего края породоразрушающего инструмента, м.

Цилиндрический сердечник установлен перпендикулярно оси шарнирного переходника и жестко соединен с верхней неподвижной частью цилиндрического разъемного корпуса. Гидравлический канал цилиндрического сердечника имеет секторное расширение в его нижней части на величину максимального угла отклонения нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса от оси шарнирного переходника. Для регулирования угла отклонения в меньшую сторону на торце меньшей стороны внутренней полуцилиндрической радиальной неравносторонней проточки установлен прямой четырехугольный призматический ограничитель с равными основаниями, высота h которого параллельна оси цилиндрического сердечника и равна длине последнего. Длина внешней стороны основания цилиндрического сердечника определена по формуле
ΔZ=Z-Z'
где ΔZ - длина внешней стороны основания призматического ограничителя, м;
Z' - зазор между нижней стороной боковой поверхности прямого четырехугольного призматического ограничителя и ответной стороной верхнего торца нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса, м, определяемый по формуле
Zʹ = r•ϕʹ,
где ϕʹ - планируемый угол отклонения нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса от оси шарнирного переходника, рад, равный

где R' - величина планируемого отклонения оси скважины от вертикали или планируемый радиус расширения скважины, м.

Нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие конструкции шарнирных переходников цилиндрического типа повышенной эксплуатационной надежности, не создающих дополнительных гидравлических сопротивлений, обеспечивающих получение максимального угла отклонения на 30^o и возможность его регулирования. Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого шарнирного переходника и связями между ними. Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, то есть соответствует условию изобретательского уровня.

Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 представлен фронтальный разрез устройства (транспортное положение);
на фиг. 2 - профильный разрез, выполненный в плоскости А-А;
на фиг. 3 - горизонтальный разрез, выполненный в плоскости Б-Б;
на фиг. 4 - выносной элемент I;
на фиг. 5 - разрез устройства (рабочее положение с максимальным углом отклонения подвижной части шарнирного переходника);
на фиг. 6 - вид В со стороны призматического ограничителя.

Шарнирный переходник имеет следующие габаритные размеры: длина - 0,6 и диаметр - 0,13 м.

Шарнирный переходник содержит цилиндрический разъемный корпус, состоящий из верхней неподвижной части 1 и нижней подвижной относительно нее части 2. В нижнем торце 3 верхней неподвижной части 1 и верхнем торце 4 нижней подвижной части 2 имеются внутренние полуцилиндрические радиальные проточки. Нижний торец 3 верхней неподвижной части 1 имеет неравностороннюю проточку. В проточках на цапфах 5, соединяющих верхнюю неподвижную часть 1 и нижнюю подвижную часть 2, установлен перпендикулярно оси шарнирного переходника цилиндрический сердечник 6. Он жестко соединен с верхней неподвижной частью 1 цилиндрического разъемного корпуса. При этом верхняя неподвижная часть 1 и нижняя подвижная часть 2, а также цилиндрический сердечник имеют общий гидравлический канал 7. Общий гидравлический канал 7 в нижней части в области цилиндрического сердечника 6 секторно расширяется на величину максимального угла ϕ, определяющего отклонение нижней подвижной части 2 цилиндрического разъемного корпуса от оси шарнирного переходника. Для регулирования угла отклонения ϕ в меньшую сторону, т.е. обеспечения планируемого угла отклонения ϕʹ нижней подвижной части 2 от оси шарнирного переходника, на торце 8 меньшей стороны внутренней полуцилиндрической радиальной неравносторонней проточки установлен прямой четырехугольный призматический ограничитель 9 с равными основаниями. При этом его высота h параллельна оси цилиндрического сердечника 6 и равна его длине (см. фиг. 6). На фиг. 4 показаны: зазор Z - расстояние между меньшей стороной нижнего торца 3 верхней неподвижной части 1 цилиндрического разъемного корпуса и ответной стороной верхнего торца 4 нижней подвижной части 2 цилиндрического разъемного корпуса; зазор Z' - расстояние между нижней стороной боковой поверхности прямого четырехугольника призматического ограничителя 9 и ответной стороной верхнего торца 4 нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса; ΔZ - длина внешней стороны основания призматического ограничителя 9.

Заявляемое устройство работает следующим образом: в случае расширения скважин заявляемая конструкция шарнирного переходника совместима с гидромониторными расширителями как лопастными, так и шарошечными, а также без механических разрушающих элементов. Конструкция гидромониторного расширителя без механических разрушающих элементов представлена в книге: Ашрафьян М.О., Лебедев О.А., Саркисов Н.М. Совершенствование конструкций забоев скважин. - М.: Недра, 1987, 113 с.

В ходе работ на скважине 146 Щелковского ПХГ проводилось расширение открытого ствола скважины в интервале 892-897 м гидромониторным расширителем без механических разрушающих элементов с тремя гидромониторными насадками и диаметром выходного отверстия последних 6 мм в комплекте с шарнирным переходником. Насадки выпускаются заводом "Победит", г. Владикавказ.

Цель расширения - создание каверны радиусом 0,385 м с последующим ее заполнением высокопроницаемым материалом.

При номинальном радиусе скважины 0,070 м используют шарнирный переходник заявляемой конструкции в компоновке с расширяющим инструментом при следующих размерах:
r=0,062 м, L=1 м
и функциональной возможности:
максимально возможный радиус расширения скважин R=0,5 м,
при этом

Z=0,062•0,5=0,031 м.

Для R', составляющего 0,385 м, что определено технологическими расчетами, определяют ϕʹ:

Для регулирования ϕʹ устанавливают прямой четырехугольный призматический ограничитель.

Определяют Z':
Z'=0,062•0,385=0,024м.

Определяют ΔZ=0,031-0,024=0,007 м.

Для R', составляющего 0,087 м, определяют ϕʹ:

Определяют Z':
Z'=0,062•0,087=0,005 м.

Определяют ΔZ:
ΔZ=0,031-0,005=0,026м.

На бурильных трубах БТ -73 через шарнирный переходник с расчетными параметрами конструктивных элементов устанавливают гидромониторный расширитель и допускают до проектного интервала.

Работа шарнирного переходника осуществляется следующим образом: вращение от ротора установки А-50 передается через колонну бурильных труб гидромониторному расширителю. При вращении последнего возникает центробежная сила, отклоняющая нижнюю подвижную часть 2 цилиндрического разъемного корпуса шарнирного переходника в плоскости его возможного отклонения на угол ϕʹ относительно оси шарнирного переходника. При этом наличие секторного расширения общего гидравлического канала 7 в нижней части в области цилиндрического сердечника 6 сохраняет неизменным проходное сечение последнего, и следовательно, дополнительные гидравлические сопротивления отсутствуют. Крутящий момент, передаваемый колонной бурильных труб от ротора к гидромониторному расширителю в шарнирном переходнике, воспринимается как цапфами, так и цилиндрическим сердечником, что повышает эксплуатационную надежность шарнирного переходника. Возможность отклонения нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса шарнирного переходника от его оси на максимальный угол 30^o обеспечивает расширение скважины до 0,5 м при начальном радиусе 0,07 м. Полученное расширение скважины в 7 раз больше начального диаметра скважины. Такой результат не может осуществить ни одна реально действующая компоновка расширяющего инструмента по имеющимся источникам известности. Дальнейшее увеличение угла нецелесообразно по причине резкого увеличения силы сопротивления, противодействующей центробежной отклоняющей силе. Возможность регулировки угла отклонения нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса шарнирного переходника от 5 до 30^o объясняется необходимостью создания различных по величине расширений радиусом от 0,087 до 0,5 м при начальном радиусе скважины 0,07 м. Создание расширений радиусом 0,5 м требуется при создании гравийного фильтра в продуктивном пласте, а создание незначительных расширений требуется, например, при спуске кондуктора, когда изначально пробурен ствол меньшего диаметра, чем сам кондуктор, или при установке цементного моста повышенной прочности.

В случае проводки интенсивно искривленных скважин, например скважины 864 Северо-Ставропольского ПХГ, интенсивность искривления составила 10^o на 10 м. Компоновка бурового инструмента при этом следующая: долото устанавливают на укороченном турбобуре марки Т12МЗК, выше устанавливают кривой переводник марки Р1. Далее идут трубы, соединенные шарнирным переходником заявляемой конструкции, причем призматический ограничитель на последнем не устанавливают. Возникающий момент упругих сил в месте перегиба осей кривого переводника Р1 заставляет долото отклоняться от вертикали, а шарнирный переходник заявляемой конструкции без призматического ограничителя обеспечивает беспрепятственное прохождение трубами участков ствола скважины с различной степенью искривления. При этом реактивный момент турбобура воспринимается как цапфами, так и цилиндрическим сердечником, что увеличивает эксплуатационную надежность шарнирного переходника.

Таким образом, доказано соответствие заявляемого устройства условиям новизны, изобретательского уровня, т. е. техническое решение патентноспособно.

Формула изобретения

Шарнирный переходник, содержащий цилиндрический разъемный корпус, состоящий из верхней неподвижной и нижней подвижной относительно нее частей, имеющий внутренние проточки в нижнем торце верхней неподвижной части и в верхнем торце нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса, и установленный в проточках на цапфах цилиндрический сердечник, жестко соединенный с одной из частей цилиндрического разъемного корпуса, причем цапфы соединяют верхнюю неподвижную и нижнюю подвижную части цилиндрического разъемного корпуса, при этом последние, а также цилиндрический сердечник имеют общий гидравлический канал, отличающийся тем, что внутренние проточки цилиндрического разъемного корпуса выполнены полуцилиндрическими радиальными, причем нижний торец верхней неподвижной части цилиндрического разъемного корпуса имеет неравностороннюю проточку, одна сторона которой меньше другой на величину, определяемую по формуле
Z = r•ϕ,
где Z - зазор между меньшей стороной нижнего торца верхней неподвижной части цилиндрического разъемного корпуса и ответной стороной верхнего торца нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса, м;
r - радиус цилиндрического сердечника, м;
ϕ - максимальный угол отклонения нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса от оси шарнирного переходника, рад, равный

где R - величина максимально возможного отклонения оси скважины от вертикали или максимально возможный радиус расширения скважины, м;
L - расстояние от оси цилиндрического сердечника до нижнего края породоразрушающего инструмента, м,
при этом цилиндрический сердечник установлен перпендикулярно оси шарнирного переходника и жестко соединен с верхней неподвижной частью цилиндрического разъемного корпуса, а гидравлический канал цилиндрического сердечника имеет секторное расширение в его нижней части на величину максимального угла отклонения нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса от оси шарнирного переходника, причем для регулирования угла отклонения в меньшую сторону на торце меньшей стороны внутренней полуцилиндрической радиальной неравносторонней проточки установлен прямой четырехугольный призматический ограничитель с равными основаниями, высота которого параллельна оси цилиндрического сердечника и равна длине последнего, а длина внешней стороны его основания определена по формуле
ΔZ=Z-Z',
где ΔZ - длина внешней стороны основания призматического ограничителя, м;
Z' - зазор между нижней стороной боковой поверхности прямого четырехугольного призматического ограничителя и ответной стороной верхнего торца нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса, м, определяемый по формуле
Zʹ = r•ϕʹ,
где ϕʹ - планируемый угол отклонения нижней подвижной части цилиндрического разъемного корпуса от оси шарнирного переходника, рад, равный

где R' - величина планируемого отклонения оси скважины от вертикали или планируемый радиус расширения скважины, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6