Роторное управляемое устройство

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. Роторное управляемое устройство включает соосные между собой долото, вал и подвешенный на нем посредством подшипников корпус, имеющий снаружи по меньшей мере один боковой выступ в виде лопасти, радиус периферии которого больше радиуса долота, оснащен со стороны, обращенной к долоту, по меньшей мере одним резцом, режущие кромки которого перекрывают в радиальном направлении расстояние между радиусами выступа и долота, и узел управления, состоящий из гидропоршневого привода, содержащего поршень с направляющими наружными пазами и центральным каналом, имеющий ход от верхнего положения до нижнего, пружину и корпусной патрубок, снабженный по крайней мере одним шипом для взаимодействия с направляющими пазами поршня при управлении его движением, и механизма блокировки вала с корпусом в их однозначном взаимном окружном положении. Механизм блокировки вала с корпусом состоит из двух элементов их взаимного сцепления, один из которых выполнен на корпусе, а другой - на втулке, кинематически связанной с поршнем и валом и имеющей с последним зацепление в окружном направлении и свободу осевого перемещения относительно него в пределах хода поршня. Обеспечивается повышение эффективности строительства горизонтальных скважин со стволами большой протяженности. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

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

Известны и применяются различные роторные управляемые компоновки (системы) (см., например, "Нефтегазовое обозрение", зима 2011-2012, Гибридная роторная управляемая система бурения - сочетание лучшего).

Следует разделять роторные управляемые системы на два типа по способу искривления скважины: с изменяемой и неизменяемой геометрией конструкции.

В роторных системах первого типа (см. например, Smart drilling, сайт: www.smart-drilling.de) используются специальные механизмы, выполняющие по команде с поверхности или от забойного устройства выдвижение лопастей или перекос компоновки с целью искривления ствола скважины. Эти роторные системы характеризуются сложностью конструкции, насыщенностью электроникой и программным обеспечением, что определяет их высокую стоимость.

Известные роторные системы с неизменяемой геометрией (см., например, патенты РФ 2112128, и 2236539 прототип) конструктивно просты и поэтому имеют низкую себестоимость в производстве и удобны в применении. Эти системы по способу искривления близки к широко применяемым двигателям-отклонителям с угловым перекосом. Указанные роторные системы включают долото и вал, состоящий из двух частей, имеющих свободу углового перекоса между собой, корпус с угловым перекосом, подвешенный на валу посредством подшипников, узел сцепления/расцепления вала и корпуса, выполненный в виде подпружиненной втулки-замыкателя, управляемой изменением величины расхода бурового раствора. Недостатками этих технических решений, приводящими к снижению надежности, являются: угловой перекос компоновки, вызывающий диаметральный распор и зависание компоновки в скважине; низкая стойкость подшипников из-за действия высокой нагрузки, равной нагрузке на долоте.

Известна компоновка для направленного бурения (патент РФ 2448231 С1), включающая соединенные между собой долото и забойный двигатель, имеющий на корпусе выступ, радиус периферии которого больше радиуса долота, оснащенный со стороны, обращенной к долоту, режуще-скалывающими резцами, перекрывающими в радиальном направлении расстояние между радиусами периферии выступа и долота. Такое техническое решение позволяет исключить в отклоняющем устройстве его угловой перекос. Однако данная компоновка, имеющая в своем составе забойный двигатель, не может применяться как роторная система.

Целью настоящего изобретения является создание конструкции роторного управляемого устройства, не имеющего перечисленных недостатков.

Указанная цель достигается тем, что в известном роторном управляемом устройстве, включающем долото и вал, присоединенные к бурильной колонне, корпус, подвешенный концентрично относительно вала посредством подшипников и имеющий снаружи по меньшей мере один выступ в виде лопасти, радиус периферии которого больше радиуса долота, оснащенный со стороны, обращенной к долоту, резцами, режущие кромки которых перекрывают в радиальном направлении расстояние между радиусами выступа и долота, и узел управления, состоящий из гидропоршневого привода, включающего поршень с направляющими наружными пазами и центральным каналом, имеющий ход от верхнего положения до нижнего, пружину и корпусной патрубок, снабженный по меньшей мере одним шипом для взаимодействия с направляющими пазами поршня, и механизма блокировки вала с корпусом в их однозначном окружном положении, этот механизм блокировки выполнен состоящим из двух элементов взаимного сцепления, например шлицевых зубьев и впадин, один из которых выполнен на корпусе, а другой на втулке, кинематически связанной с поршнем и валом и имеющей с последним зацепление в окружном направлении и свободу осевого перемещения относительно него в пределах хода поршня.

Для улучшения управляемости устройства на его корпусе оппозитно и выше по направлению от долота относительно упомянутого выступа желательно разместить еще один выступ, оснащенный по периферии в верхней его части резцами, имеющий радиус периферии больше радиуса долота.

Для получения сигнала о взаимном сцеплении/расцеплении вала и корпуса целесообразно центральный канал поршня в средней его части перекрыть заглушкой, перед и за которой выполнить соответствующие радиальные выпускные и входные каналы, а внутри корпусного патрубка в месте ниже входных каналов при верхнем положении поршня и выше них при нижнем положении поршня выполнить локальный кольцевой выступ.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого роторного управляемого устройства, состоящего из узла искривления 1, узла управления 2 и механизма блокировки 3 (сцепления/расцепления) вала и корпуса.

На фиг. 2а показан узел искривления 1, включающий долото 6, вал 4, корпус 5 с боковым выступом 7, оснащенным резцами 8. Через середину бокового выступа 7 и ось устройства проходит его плоскость искривления.

На фиг. 2б показан узел искривления 1 с двумя боковыми выступами 7 и 9, оппозитно расположенными относительно друг друга.

На фиг. 3 представлен узел управления 2, включающий гидропоршневой привод, состоящий из поршня 10 с направляющими наружными пазами 11 и центральным каналом 12, пружину 13, корпусной патрубок 14 с шипами 15. Движение поршня 10 относительно корпусного патрубка 14 задается взаимодействующими между собой наружными пазами 11 с шипами 15 под действием гидравлической силы, направленной вниз, или упругой силы пружины, направленной вверх.

На фиг. 4 показан механизм блокировки 3 вала 4 и корпуса 5, состоящий из двух элементов 16 и 17 их взаимного сцепления в однозначном окружном положении, один из которых выполнен на корпусе, а другой - на втулке 18, кинематически связанной с поршнем 10 и валом 4 и находящейся с последним в окружном зацеплении при свободе осевого перемещения относительно него в пределах хода поршня.

На фиг. 5 показан вариант исполнения узла сигнализации, позволяющего контролировать взаимное положение элементов 16 и 17. Этот узел включает заглушку 19, размещенную в средней части центрального канала 12 поршня 10, перед и за которой выполнены выходные 20 и входные 21 радиальные каналы, а внутри корпусного патрубка 14, в месте ниже расположения входных каналов 21 поршня при его верхнем положении и выше расположения входных каналов 21 при нижнем положении поршня 10, размещен локальный кольцевой выступ 22. При перемещении поршня 10 от верхнего положения до нижнего место расположения заглушки 19 кратковременно совпадает с местом кольцевого выступа 22 корпусного патрубка 14. В этот момент создается импульс давления, регистрируемый на поверхности. Одновременно с этим происходит сцепление вала 4 с корпусом 5 посредством вступления в контакт их элементов 16 и 17.

На фиг. 6а и 6б изображена кинематическая схема устройства при его работе соответственно на стабилизацию направления ствола скважины и на его искривление.

Работа предлагаемым роторным управляемым устройством производится следующим образом. После спуска устройства на забой скважины и пуска бурового насоса по показаниям манометра на поверхности определяется готовность устройства к работе на искривление ствола скважины или стабилизацию его направления. Отсутствие импульса давления говорит о расцепленных между собой вала 4 и корпуса 5 (фиг. 6б). Для работы по стабилизации направления необходимо произвести сцепление вала и корпуса. Это обеспечивается снижением подачи (расхода) бурового раствора или выключением бурового насоса с последующим восстановлением подачи раствора, при котором произойдет сцепление вала и корпуса (фиг. 6а), сопровождаемое импульсом давления, регистрируемым на поверхности. При снижении подачи бурового раствора снижается гидравлическая сила на поршне 10 (фиг. 3), и под действием преобладающей упругой силы пружины 13 он поднимается относительно шипа 15 в верхнее положение «а1». После восстановления подачи раствора под действием возросшей гидравлической силы поршень 10 перемещается в положение «b». При этом идут два процесса: - создается импульс давления вследствие кратковременного перекрытия кольцевым выступом 22 (фиг. 5) кольцевого канала от выходных радиальных каналов 20 к входным каналам 21; а элементы 16 корпуса и 17 вала вступают в зацепление в однозначном их взаимном окружном положении. Приведя во вращение бурильную колонну, можно осуществлять проходку прямолинейного участка.

Для перехода к проходке искривленного участка необходимо сначала остановить вращение бурильной колонны и выставить плоскость искривления устройства в нужном азимуте и снизить подачу раствора или выключить насос. Затем, восстановив подачу раствора до нормы и убедившись в отсутствии импульса давления, привести во вращение бурильную колонну и приступить к проходке искривленного участка скважины. При описанной манипуляции с подачей раствора поршень 10 относительно шипа 15 (фиг. 3) сначала занимает положение «а2», а затем зависает в положении «с». В положении «с» не происходит зацепление элементов 16 и 17 (фиг. 6б) и не возникает гидроимпульса из-за того, что выходные каналы 20 поршня (фиг. 5) не доходят до локального кольцевого выступа 22 корпусного патрубка 14.

По мере углубления ствола скважины выступ 7 (фиг. 2а) вступает в контакт со стенкой ствола, образованной долотом 6. В результате возникает боковая отклоняющая сила, действующая на выступ 7 и соответственно на долото 6, что вызывает искривление ствола. Для лучшей управляемости компоновки и предсказуемости интенсивности искривления целесообразно размещать на корпусе 5 (фиг. 2б) оппозитно выступу 7 еще один выступ 9.

При работе устройства на искривление его корпус 5 сохраняет свое азимутальное положение благодаря взаимодействию со стенками скважины боковыми выступами 7 и 9, оснащенными резцами 8. При работе устройства на стабилизацию направления корпус 5 вращается совместно с валом 4 и своими резцами 8 производит калибрование ствола скважины.

Благодаря исключению влияния момента на долоте на азимутальную ориентацию устройства, а также возможности непрерывного вращения бурильной колонны как на прямолинейном, так и на искривленном участке, становится возможной проходка горизонтального ствола скважины большой протяженности.

Использование предлагаемого роторного устройства позволит добиться сокращения эксплуатационных издержек и тем самым повысить эффективность горизонтального бурения.

1. Роторное управляемое устройство, включающее соосные между собой долото, вал и подвешенный на нем посредством подшипников корпус, имеющий снаружи по меньшей мере один боковой выступ в виде лопасти, радиус периферии которого больше радиуса долота, оснащен со стороны, обращенной к долоту, по меньшей мере одним резцом, режущие кромки которого перекрывают в радиальном направлении расстояние между радиусами выступа и долота, и узел управления, состоящий из гидропоршневого привода, содержащего поршень с направляющими наружными пазами и центральным каналом, имеющий ход от верхнего положения до нижнего, пружину и корпусной патрубок, снабженный по крайней мере одним шипом для взаимодействия с направляющими пазами поршня при управлении его движением, и механизма блокировки вала с корпусом в их однозначном взаимном окружном положении, отличающееся тем, что механизм блокировки вала с корпусом состоит из двух элементов их взаимного сцепления, один из которых выполнен на корпусе, а другой - на втулке, кинематически связанной с поршнем и валом и имеющей с последним зацепление в окружном направлении и свободу осевого перемещения относительно него в пределах хода поршня.

2. Роторное управляемое устройство по п. 1, отличающееся тем, что выше упомянутого выступа по направлению от долота размещен оппозитно ему еще один выступ, радиус периферии которого больше радиуса долота, оснащенный по периферии в верхней его части резцами.

3. Роторное управляемое устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что центральный канал поршня перекрыт заглушкой, перед и за которой выполнены соответственно выходные и входные радиальные каналы, а внутри корпусного патрубка ниже места расположения выходных радиальных каналов поршня в его верхнем положении размещен локальный кольцевой выступ, при этом в нижнем положении поршня локальный выступ расположен выше места расположения выходных радиальных каналов поршня.