Забойный ориентатор

 

Изобретение относится к промысловым геофизическим измерениям и предназначено для определения угла установки отклонителя в процессе бурения горизонтальных и наклонно-направленных скважин. Ориентатор содержит размещенные в корпусе измерительный узел и чувствительный элемент в виде шара. На валу измерительного узла установлен преобразователь в виде двух рычагов, связанных перемычкой. Шар размещен между рычагами эксцентрично оси вала в кольцевой замкнутой цилиндрической камере, расположенной в корпусе, ось которой совпадает с осью вала. Дно камеры образовано кольцевой беговой дорожкой. Гарантированный зазор между шаром и валом и шаром и перемычкой исключает вибрационное воздействие со стороны шара на подшипники вала и снижает их износ. В результате вибростойкость конструкции не зависит от массы шара, которая в свою очередь может быть увеличена для достижения требуемой чувствительности ориентатора. 2 ил.

Изобретение относится к промысловым геофизическим измерениям и предназначено для определения угла установки отклонителя в процессе бурения горизонтальных и наклонно-направленных скважин.

Известно устройство для ориентированной установки отклонителя в буровой скважине, в котором в качестве чувствительного элемента используется эксцентричный груз или маятник, вращающийся в опорах подвеса, коаксиальных оси скважины, и узел измерения поворота эксцентричного груза относительно корпуса отклонителя при его вращении в скважине [1] Поворот эксцентричного груза относительно корпуса отклонителя обусловлен силой тяжести груза, которая образует вращающий момент в опорах подвеса, если ее вектор не пересекает ось подвеса. Поскольку груз эксцентричен, а его ось подвеса, коаксиальная оси скважины, наклонена или горизонтальна, то независимо от положения отклонителя груз будет располагаться в вертикальной плоскости, проходящей через ось скважины, ниже оси подвеса. Таким образом, измеряя угол поворота эксцентричного груза в осях подвеса относительно корпуса, определяют угол установки отклонителя.

К недостаткам устройства следует отнести низкую чувствительность и виброустойчивость. Чувствительность возрастает пропорционально увеличению массы груза, но при этом также возрастают и вибрационные нагрузки на ось подвеса, которые всегда сопровождают процесс бурения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство содержащее в качестве чувствительного элемента груз (тяжелый шарик), свободно перемещающийся вокруг оси скважинного прибора по кольцевой дорожке, который размещен внутри U-образной вилки, образуя шарнирное четырехподвижное соединение с шаровым звеном. Вилка жестко связана с валом преобразователя угла поворота в электрическое сопротивление (реохорд). Ось преобразователя расположена по оси скважинного прибора и совпадает с осью скважины.

Шарнирное соединение груза с преобразователем снижает уровень вибрационных нагрузок на его ось, но не исключает их.

Вибрационные перемещения груза в процессе бурения возникают по всем направлениям и только те из них, которые совпадают с подвижностью шарнирного соединения, не будут вызывать вибрационных нагрузок на ось преобразователя. Так, в прототипе, на ось преобразователя не будут действовать только те вибрационные нагрузки, которые обуславливаются вращением шарика вокруг его собственной оси. Однако, например, радиальные вибрации шарика (перпендикулярно оси преобразователя) полностью воздействуют на ось преобразователя. Также воздействуют на ось преобразователя и вибрации шарика в направлении, параллельном этой оси. Указанные недостатки прототипа не позволяют обеспечить требуемую виброустойчивость конструкции с тяжелым шариком при использовании забойного ориентатора в процессе бурения скважин.

Цель изобретения повышение виброустойчивости забойного ориентатора и, как следствие, его чувствительности. Под действием вибрации инструмента, возникающей в процессе бурения, груз, совершая хаотическое перемещение, при возможности жесткого контакта через элементы вилки или непосредственно с осью преобразователя вызывает интенсивный износ подшипников последнего, что снижает чувствительность ориентатора из-за увеличения люфта узлов передачи. При осуществлении изобретения обеспечивается исключение контакта груза с осью преобразователя и с элементами вилки, передающими воздействие груза, не совпадающее с подвижностью шарнирного соединения.

Для этого забойный ориентатор, содержащий размещенные в корпусе измерительный узел, на валу которого установлен преобразователь в виде двух рычагов, связанных перемычкой, кольцевую беговую дорожку и чувствительный элемент, размещенный между рычагами преобразователя эксцентрично оси вала, снабжен ограничителями радиального перемещения чувствительного элемента в виде связанных с корпусом внутренней и наружной кольцевых поверхностей, первая из которых образована вращением образующей вокруг оси, и осевого перемещения в виде торцевой поверхности, расположенной оппозитно кольцевой беговой дорожке, причем чувствительный элемент расположен в кольцевой камере, ограниченной кольцевой беговой дорожкой и упомянутыми ограничителями перемещения с зазором по отношению к перемычке преобразователя и к валу измерительного узла.

Благодаря связи ограничителей осевого и радиального перемещений чувствительного элемента с корпусом и обеспечению гарантированного зазора между чувствительным элементом и валом измерительного узла и перемычкой преобразователя все перемещения чувствительного элемента, за исключением вращения вокруг оси преобразователя воспринимаются корпусом, при этом вал пенообразователя не испытывает никаких вибрационных нагрузок со стороны чувствительного элемента за исключением вращающего момента, обуславливающего его вращение и выдачу полезного информационного сигнала с преобразователя. Благодаря такому решению высокая вибростойкость конструкции не зависит от массы чувствительного элемента, которая может быть увеличена для достижения требуемой чувствительности ориентатора.

На фиг. 1 изображен ориентатор, продольный разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1.

Забойный ориентатор содержит размещенные в корпусе 1 измерительный узел (на чертежах не показан) и чувствительный элемент в виде шара 2. Шар 2 размещен в кольцевой камере. Она ограничена кольцевой беговой дорожкой 3 нижней крышки 4 и ограничителями радиального и осевого перемещений шара 2. Ограничители радиального перемещения выполнены в виде внутренней кольцевой поверхности 5 втулки 6, образованной вращением образующей (например, прямой) вокруг оси, и наружной кольцевой поверхности 7 стержня 8, закрепленного на крышке 4. Ограничитель осевого перемещения выполнен в виде торцевой поверхности 9 верхней крышки 10, расположенной оппозитно дорожке 3 крышки 4. Крышки 4 и 10 и втулка 6 закреплены в корпусе 1 гайкой 11. В крышке 10 имеется центральное отверстие 12 для пропуска вала 13 измерительного узла. На конце вала 13 установлен преобразователь, выполненный в виде двух рычагов 14, связанных перемычкой 15. Шар 2 размещен между рычагами 14 эксцентрично оси вала 13.

При работе забойного ориентатора в горизонтальных или наклонно-направленных скважинах, его ось располагается наклонно или горизонтально и шар 2 под действием силы тяжести перемещается по беговой дорожке 3 и по поверхности 5 втулки 6 так, что всегда будет находиться в апсидальной плоскости. Шар 2, увлекая за собой рычаги 14 преобразователя, вращает вал 13, на выходе которого формируется электрический сигнал, пропорциональный углу поворота забойного ориентатора и углу установки отклонителя. Возникающие при бурении скважины вибрации перемещают шар 2 хаотически по всем направлениям. Радиальная составляющая этих перемещений ограничена цилиндрической поверхностью 5 втулки 6 и кольцевой поверхностью 7 стержня 8. Осевая составляющая перемещений ограничена поверхностью 9 крышки 10. Диаметральные габариты стержня 8, его высота, а также высота кольцевой камеры выбираются таким образом, чтобы при любых осевых и радиальных перемещениях шара 2 он не касался бы перемычки 15 преобразователя. Таким образом обеспечивается полная виброзащита вала 13 от воздействия массы шара 2.

При отсутствии вибраций зазор между шаром 2 и рычагами 14 преобразователя обуславливает погрешность преобразования: показания ориентатора будут зависеть не только от положения отклонителя, но также и от направления вращения ориентатора. Причем, чем больше величина зазора, тем больше величина этой погрешности. Однако при вибрациях шар 2 совершает хаотические перемещения вокруг своего среднего положения между рычагами 14, вращая вал 13 преобразователя в разные направления относительно среднего положения и при достаточной интенсивности вибраций (а их интенсивность всегда достаточна в пpоцессе бурения) усреднение показаний забойного ориентатора исключает эту погрешность. Благодаря вибрациям и последующему усреднению показаний также исключается или значительно снижается погрешность преобразования, обусловленная сухим трением вала 13 преобразователя в опорах, в контактах реохорда и т.п. (на чертежах не показаны).

Использование высокочувствительного и вибростойкого забойного ориентатора с достаточной точностью измерения угла установки отклонителя в процессе бурения позволяет расширить технологические возможности бурения и повысить качество проводки ствола горизонтальных и наклонно-направленных скважин в различных горно-геологических условиях.

Формула изобретения

ЗАБОЙНЫЙ ОРИЕНТАТОР, содержащий размещенные в корпусе измерительный узел, на валу которого установлен преобразователь в виде двух рачагов, связанных перемычкой, кольцевую беговую дорожку и чувствительный элемент, размещенный между рычагами преобразователя эксцентрично оси вала, отличающийся тем, что он выполнен с кольцевой замкнутой цилиндрической камерой, расположенной в корпусе, ось которой совпадает с осью вала, а дно камеры образовано кольцевой беговой дорожкой, при этом чувствительный элемент расположен в кольцевой камере с зазором по отношению к перемычке преобразователя и к валу измерительного узла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2