Устройство для отклонения траектории скважины, управляемое гидроимпульсами

 

Использование: для оперативного управления кривизной скважины в процессе бурения. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, возвратный элемент с фиксатором, полый вал, нижний переводник с шарнирным сочленением, имеющим наклонную ось вращения. На поверхности полого вала выполнены прямые пазы и винтовые пазы, в которых находятся свободные концы рычагов. Полый вал и переводник связаны подвижным соединением. Для изменения взаимного расположения корпуса и переводника давление поднимается выше рабочего, создается пик давления. Фиксатор освобождает возвратный элемент и он с валом опускается. Рычаги, находящиеся в винтовых пазах, поворачивают вал и связанный с ним переводник. Поворачиваясь, переводник отклоняет свою ось от оси корпуса. При сбрасывании давления до минимального возвратный элемент и вал поднимаются. Рычаги скользят в прямых пазах. При следующем пике давления возвратный элемент снова опускается. Вал и переводник поворачиваются, переводник отклоняется на следующий угол. При повороте переводника на пол-оборота он отклоняется от оси корпуса на максимальный угол, при полном обороте переводник возвращается в исходное положение и угол отклонения минимальный. 6 з.п.ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к бурению направленных скважин и предназначено для оперативного управления кривизной скважины в процессе бурения.

Известно устройство для отклонения траектории скважины, включающее управляющий узел с контейнером для управляющих шаров, переключающий узел с корпусом и ориентационный узел с корпусом и ниппельным переводником, имеющими скошенные торцы и соединительный шарнир с наклонной осью вращения, а также комплект управляющих шаров (Mechanical Talepilote. SMF International, - Проспект выставки Нефтегаз, - Франция, 1986).

Недостатком этого устройства является то, что для создания импульсов давления, приводящих его в действие, необходимо сбрасывать в полость бурильной колонны шары, что усложняет работу, так как возникает потребность в развинчивании колонны, в затратах времени на прокачивание каждого шара. Кроме того, устройство имеет слишком длинную поворотную часть, что создает повышенную нагрузку на шарнир и снижает его надежность и долговечность.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, включающее секционный корпус, установленные в нем чувствительный к гидроимпульсам элемент с пружиной, полый вал с канавкой на поверхности, направляющие элементы, размещенные в канавке полого вала, шарнирное соединение с наклонной к оси корпуса осью вращения, связывающее нижнюю секцию корпуса со средней (патент Великобритании N 2121455, кл. Е 21 В 7/08, 1984).

Недостатком этого устройства является то, что форма канавки на поверхности полого вала и направляющих элементов в условиях крутильных колебаний и сопротивления повороту не обеспечивает надежного переключения на заданный угол, на один шаг. Возможно повторное попадание направляющих элементов в тот же участок канавки или переключение через шаг.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечсности.

Указанная цель достигается тем, что устройство для отклонения траектории скважины, управляемое гидроимпульсами, включающее секционный корпус, установленные в нем чувствительный к гидроимпульсам элемент с пружиной, полый вал с канавкой на поверхности, направляющие элементы, размещенные в канавке полого вала, шарниpное соединение с наклонной к оси корпуса осью вращения, связывающее нижнюю секцию корпуса со средней, снабжено подвижным соединением, связывающим полый вал с нижней секцией корпуса с возможностью относительно продольного перемещения и углового смещения, и расположенным над ним уплотнительным элементом, образующим между валом и корпусом полость, гидравлически связанную с затрубным пространством, при этом канавка выполнена с продольными и наклонными участками с максимальной глубиной в верхней и нижней частях, плавно уменьшающейся в направлении действия усиления пружины на наклонном участке и в противоположном направлении на продольном участке, и ступеньками в местах перехода продольного участка в наклонный в зоне с противоположной стороны действия усилия пружины и наклонного участка в продольный в зоне со стороны действия усилия пружины.

Устройство снабжено фиксатором для связи чувствительного к гидроимпульсам элемента с корпусом.

Чувствительный к гидроимпульсам элемент выполнен в виде связанного с полым валом полого поршня с уплотнителем.

Устройство снабжено установленным на полом валу средоразделителем, образующим с корпусом полость, заполненную смазывающей жидкостью и связанную с затрубным пространством через компенсатор давления, причем диаметр уплотняемой поверхности средоразделителя равен диаметру уплотнения полого поршня.

Направляющие элементы выполнены в виде нажимной втулки с рычагами, имеющими прямые контактные поверхности, 0 размещенные на расстоянии, равном ширине продольного участка канавки, и наклонные контактные поверхности, расположенные на расстоянии не более ширины наклонных участков.

Подвижное соединение полого вала с нижней секцией корпуса выполнено шлицевым с зазорами и размещено на пересечении оси вращения нижней секции корпуса с продольной осью корпуса.

Фиксатор выполнен в виде подпружиненной конической втулки, цилиндрической втулки, связанной с полым поршнем, кольцевой канавки на внутренней поверхности корпуса и шариков с радиусом, большим, чем глубина кольцевой канавки, размещенных в кольцевой канавке с возможностью взаимодействия с конической и цилиндрической втулками.

Фиксатор полого поршня может быть выполнен в виде кольцевой эластичной манжеты, установленной на поршне и образующей с корпусом полость, сообщающуюся с затрубным пространством.

Фиксатор может быть выполнен в виде направляющей, размещенной на полом поршне перпендикулярно продольной его оси, установленного в направляющей подпружиненного стержня и кольцевой канавки на внутренней поверхности корпуса для размещения свободного конца стержня.

На фиг. 1 изображен разрез устройства для отклонения траектории скважины, управляемого гидроимпульсами; на фиг.2 и 3 - варианты выполнения; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.5 - направляющий элемент в виде рычага; на фиг. 6 - вид на контактные поверхности рычага на фиг.7 - фрагмент развертки поверхности вала с сечениями участков канавки; на фиг.8 - схема изменения направления отклонения при пошаговой работе устройства; на фиг.9 - график изменения давления.

Устройство для отклонения траектории скважины, управляемое гидроимпульсами, (первый вариант) содержит секционный корпус 1, состоящий из верхнего переводника 2, верхней секции 3, средней секции 4 и нижней секции 5. В корпусе 1 установлены чувствительный к гидроимпульсам элемент 6 с пружиной 7, полый вал 8 с канавкой 9 на поверхности, направляющие элементы 10, размещенные в канавке 9 полого вала 8, шарнирное соединение 11 с наклонной к оси корпуса 1 осью вращения, связывающее нижнюю секцию 5 корпуса 1 со средней секцией 4.

Подвижное соединение 12 связывает полый вал 8 с нижней секцией 5 корпуса 1 с возможностью относительного продольного перемещения и углового смещения. Оно выполнено шлицевым с зазорами и размещено на пересечении оси вращения нижней секции 5 корпуса 1 с продольной осью корпуса. Над подвижным соединением 12 расположен уплотнительный элемент 13, образующий между полым валом 8 и корпусом 1 полость 14, гидравлически связанную с затрубным пространством отверстием 15. Канавка 9 выполнена с продольными 16 и наклонными 17 участками с глубиной, максимальной в верхней 18 и нижней 19 частях (см. фиг.7), плавно уменьшающейся в направлении действия усилия пружины 7 на наклонном участке 17 и в противоположном направлении на продольном участке 16. В местах перехода продольного участка 16 в наклонный участок 17, в зоне с противоположной стороны действия усилия пружины 7 (на фиг.1 в нижней зоне), выполнены ступеньки 20, а в местах перехода наклонного участка 17 в продольный участок 16, в зоне со стороны действия усилия пружины 7 (на фиг. 1 в верхней зоне), выполнены ступеньки 21, представляющие собой резкое изменение глубины канавки 9.

Чувствительный к гидроимпульсам элемент 6 выполнен в виде связанного с полым валом 8 полого поршня с уплотнением 22. На полом валу 8 установлен средоразделитель 23, образующий с корпусом 1 полость 24, заполненную смазывающей жидкостью и связанную с затрубным пространством через компенсатор 25 давления, причем диаметр уплотняемой поверхности средоразделителя 23 равен диаметру уплотнения 22 полого поршня. Направляющие элементы 10 выполнены в виде нажимной втулки 25 с рычагами 26 и опорной втулки 27 с осями 28 рычагов 26. Рычаги 26 имеют прямые контактные поверхности 29, размещенные на расстоянии, равном ширине продольного участка 16 канавки 9, и наклонные контактные поверхности 30, расположенные на расстоянии не более ширины наклонных участков 17 канавки 9.

Чувствительный к гидроимпульсам элемент 6 (полый поршень( имеет фиксатор для связи с корпусом 1. В первом варианте выполнения устройства (фиг,1) фиксатор выполнен в виде подпружиненной конической втулки 31, цилиндрической втулки 32, связанной с полым поршнем, кольцевой канавки 33 на внутренней поверхности корпуса 1 и шариков 34 с радиусом, большим, чем глубина кольцевой канавки 33, размещенных в ней с возможностью взаимодействия с конической втулкой 31 и цилиндрической втулкой 32.

Во втором варианте выполнения устройства (фиг.2) фиксатор выполнен в виде кольцевой эластичной манжеты 35, установленной на поршне, и выступа 36 корпуса 1, образующих полость, сообщающуюся с затрубным пространством через канал 37.

В третьем варианте выполнения (фиг.3) фиксатор выполнен в виде направляющей 38, размещенной на полом поршне перпендикулярно его продольной оси, установленного в направляющей подпружиненного стержня 39 из материала более мягкого, чем материал корпуса 1, и кольцевой канавки 40 с острыми кромками, выполненной на внутренней поверхности корпуса 1 для размещения свободного конца стержня. Для удобства замены стержня 39 в корпусе 1 имеется пробка 41. В полом поршне выполнена дополнительная полость 42 для сбора срезанных концов стержня 39. Шарнирное соединение 11 содержит опорную втулку 43, связанную с нижней секцией 5, и шариковый подшипник 44.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении - устройство прямое, т.е. угол искривления равен нулю, как на фиг.1, или положение 0 на фиг.8. При этом давление в полости бурильной колонны может подниматься до максимального рабочего, сбрасываться до нуля при наращивании колонны и принимать любое промежуточное значение. Для начала искривления в полость бурильной колонны выдается пик давления, например, путем увеличения подачи раствора на мотонасосном агрегате 21МП2ПН-1300 или другом насосе с регулируемым приводом. При возникновении пика давления заданной величины полый поршень (в первом варианте) давит на цилиндрическую втулку 32, которая, воздействуя на шарики 34, стремится выкатить их из кольцевой канавки 33. Выкатыванию шариков 34 препятствует коническая втулка 31. Однако при заданном усилии на полый поршень шарики 34 опускают коническую втулку 31 вниз, преодолевая сопротивление пружины 7. Полый поршень расфиксирован и опускается, его удержание в нижнем положении обеспечивается и при рабочем давлении, пик давления снимается.

Во втором варианте - при достижении заданного пика давления усилие, действующее на свободное кольцо полого поршня, превышает сумму усилий пружины 7 и усилия присасывания на площади, ограниченной выступом 36 и кольцевой эластичной манжетой 35 (присоской), удерживающих полый поршень в верхнем положении. Происходит отрыв манжеты 35 (присоски) от выступа 36 и опускание полого поршня в нижнее положение, при этом часть бурового раствора проходит через узкий канал 37, в результате чего после снятия пика давления рабочее давление при тех же параметрах расхода насоса будет несколько ниже. Переключение фиксируется манометром на стояке напорной магистрали буровой. Поршень удерживается в нижнем положении рабочим давлением.

В третьем варианте - при возникновении пика давления заданной величины полый поршень, опускаясь, срезает конец подпружиненного стержня 39, вдвинутый в кольцевую канавку 40 ее острыми кромками. При снятии пика давления полый поршень удерживается в нижнем положении рабочим давлением. Остальные элементы устройства во всех вариантах работают одинаковое. Полый поршень, опускаясь, вызывает опускание полого вала 8. При этом наклонные контактные поверхности 30 рычагов 26 взаимодействуют с боковыми поверхностями наклонных участков 17 канавки 9, вынуждая поворачиваться полый вал 8. При этом рычаги 26 скользят по наклонному дну канавки 9, поворачиваясь на своих осях, и под действием усилия пружины 7, передаваемого нажимной втулкой 25 на все рычаги 26, они защелкиваются на верхних ступеньках 21 в месте перехода наклонных участков 17 в продольные участки 16. При опускании полого вала 8 жидкость из полости между уплотнительным элементом 13, полым валом 8 со средоразделителем 23 и корпусом 1 выходит через отверстие 15. При повороте полого вала 8 подвижное соединение 12 вынуждает повернуться на наклонной оси и нижнюю секцию 5, которая при повороте отклоняет свою продольную ось от продольной оси корпуса 1. При одном опускании полого вала 8 происходит поворот нижней секции 5 на угол Θ₁= , где n - число пар продольных и наклонных участков канавки 9. Угол искривления устройства из нулевого значения переходит в значение ϕ1. При сбрасывании давления в колонне до Р_min пружина 7 поднимает полый вал 8 в верхнее положение, где он фиксируется фиксаторами. При этом прямые контактные поверхности 29 взаимодействуют с боковыми поверхностями продольных участков 16 и рычаги 26, повернувшись на своих осях, защелкиваются на нижних ступеньках 20 в месте перехода продольных участков 16 в наклонные участки 17. Нижняя секция 5 при этом продолжает оставаться в зафиксированном от вращения положении. При возникновении следующего пика давления взаимодействие элементов устройства происходит аналогично описанному, но угол поворота нижней секции 5 принимает следующее значение Θ₂, угол отклонения - соответственно ϕ₂ и так до максимального угла отклонения ϕ_max, затем до ϕ_min = 0. Пики давления фиксируются манометром на стояке напорной магистрали буровой.

В качестве примера конкретного выполнения имеется конструкция устройства диаметром 240 мм, длиной 2150 мм. Длина поворотной части от торца присоединительной резьбы до плоскости вращения в среднем 0,4 м, максимальный угол отклонения 3^о и 4 шага полного цикла, диаметр центрального отверстия 70 мм.

Конструкция устройства позволяет производить надежное пошаговое отклонение с фиксацией каждого шага и передавать высокие крутящие моменты при бурении и освобождении от прихватов без повреждения устройства. Сквозное центральное отверстие позволяет устанавливать устройство не только над коротким винтовым двигателем, но и между турбинной и шпиндельной секциями турбобура путем пропуска соединительного (торционного) вала.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКЛОНЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ СКВАЖИНЫ, УПРАВЛЯЕМОЕ ГИДРОИМПУЛЬСАМИ, включающее секционный корпус, установленные в нем чувствительный к гидроимпульсам элемент с возвратным элементом, полый вал с канавкой на поверхности, направляющие элементы, размещенные в канавке полого вала, шарнирное соединение с наклонной к оси корпуса осью вращения, связывающее нижнюю секцию корпуса со средней, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности, оно снабжено подвижным соединением, связывающим полый вал с нижней секцией корпуса с возможностью относительного продольного перемещения и углового смещения, и расположенным над ним уплотнительным элементом, образующим между валом и корпусом полость, гидравлически связанную с затрубным пространством, канавка выполнена с продольными и наклонными участками с глубиной максимальной в верхней и нижней частях, плавно уменьшающейся на наклонном участке в направлении действия усилия возвратного элемента, а на продольном участке уменьшающейся в противоположном направлении, образующими ступени в местах перехода продольного участка в наклонный, в зоне с противоположной стороны действия усилия возвратного элемента и наклонного участка в продольный в зоне со стороны действия усилия возвратного элемента, чувствительный к гидроимпульсам выполнен в виде связанного с полым валом полого поршня с уплотнением, причем направляющие элементы выполнены в виде нажимной втулки с рычагами, имеющими прямые контактные поверхности, размещенные на расстоянии, равном ширине продольного участка канавки, и наклонные контактные поверхности, расположенные на расстоянии не более ширины наклонных участков.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено установленным на полом валу средоразделителем, образующим с корпусом полость, заполненную смазывающей жидкостью и связанную с затрубным пространством через компенсатор давления, причем диаметр уплотняемой поверхности спедоразделителя равен диаметру уплотнения полого поршня.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижное соединение полого вала с нижней секцией корпуса выполнено шлицевым с зазорами и размещено на пересечении оси вращения нижней секции корпуса с продольной осью корпуса.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено фиксатором для связи чувствительного к гидроимпульсам элемента с корпусом.

5. Устройство по пп.1-4, отличающееся тем, что фиксатор выполнен в виде подпружиненной конической втулки, цилиндрической втулки, связанной с полым поршнем, кольцевой канавки на внутренней поверхности корпуса и шариков с радиусом большим глубины кольцевой канавки, размещенных в кольцевой канавке с возможностью взаимодействия с конической и цилиндрической втулками.

6. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что фиксатор полого поршня выполнен в виде кольцевой эластичной манжеты, установленной на корпусе и образующей с корпусом полость, сообщающуюся с затрубным пространством.

7. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что фиксатор выполнен в виде направляющей, размещенной на полом поршне перпендикулярно к продольной его оси, установленного в направляющей подпружиненного стержня и кольцевой канавки на внутренней поверхности корпуса для размещения свободного конца стержня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9