Компоновка низа бурильной колонны

 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин с помощью винтового забойного двигателя. Изобретение заключается в том, что в компоновке низа бурильной колонны наличие программатора привода стопорения шарнира винтового забойного двигателя, шарнира отклонители привода и долота позволяют производить бурение с разными радиусами искривления, а также стабилизацию зенитного угла. А в режиме промывка. Чтобы промывочная жидкость не проходила к винтовому забойному двигателю, введен исполнительный механизм, который по команде с программатора отправляет промывочную жидкость сразу в затрубное пространство, минуя винтовой забойный двигатель. 9 ил.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин с помощью винтового забойного двигателя.

Известна забойная компоновка для искривления стволов скважин, включающая верхнюю часть и связанную с ней шарниром или гибким элементом нижнюю часть, сориентированными под острым углом друг к другу концами, и содержащую забойный двигатель с долотом [1].

Недостатком этой компоновки является отсутствие в нем элементов, обеспечивающих возможность бурения как прямолинейных интервалов, так и интервалов с разной интенсивностью искривления. Кроме того, при промывке скважины буровая жидкость проходит через забойный двигатель, что сокращает его ресурс.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является забойная компоновка для искривления ствола скважины, содержащая винтовой забойный двигатель с отклонителем, шарнирно соединенный с бурильной колонной [2].

Недостатками этой компоновки является, во-первых, то, что при промывке промывочная жидкость проходит через забойный двигатель, во-вторых, отсутствует режим стабилизации зенитного угла, в-третьих, отсутствует сигнализация об исполнении команды.

Целью изобретения является повышение ресурса забойного двигателя простыми и надежными средствами (без подъема колонны бурильных труб), осуществление бурения по заданной программе с разными радиусами искривления, включая стабилизацию зенитного угла по заданной программе.

Поставленная цель достигается тем, что компоновка низа бурильной колонны, содержащая винтовой забойный двигатель с отклонителем, шарнирно соединенный с колонной бурильных труб, снабжена программатором, исполнительным механизмом, приводами стопорения шарнира винтового забойного двигателя и отклонителя, при этом отклонитель шарнирно соединен с винтовым забойным двигателем, к корпусу которого с помощью вилки прикреплен привод отклонителя, который выполнен в виде полого цилиндрического корпуса, внутри которого установлена с возможностью перемещения сборка, механически соединенная с шарниром отклонителя, в которой выполнено два отверстия, кольцевая и цилиндрическая полости, в последней установлены поршень со штоком, закрепленным на полом цилиндрическом корпусе, причем шток выполнен с отверстием, а верхняя часть цилиндрической полости проточкой соединена с кольцевой полостью, в которой размещен ротор винтового забойного двигателя, в одном из отверстий установлен датчик крайних положений отклонителя, выполненный в виде заслонки, привод стопорения шарнира винтового забойного двигателя соединен с помощью вилки с корпусом винтового забойного двигателя и выполнен в виде полого цилиндрического корпуса, внутри которого установлена с возможностью перемещения сборка, в которой выполнены два отверстия, и цилиндрическая полость, в которой установлены поршень со штоком, закрепленным на полом цилиндрическом корпусе, и которая в части под поршнем выполнена с отверстием, в одном из отверстий сборки установлен датчик положения, выполненный в виде заслонки, программатор выполнен на трех четырехходовых золотниках, жестко закрепленных в собственном корпусе, над золотниками установлен гидроцилиндр, связанный с кривошипно-шатунным механизмом, который через храповое колесо с собачкой соединен с валом, на котором закреплены кулачки с возможностью взаимодействия со штоком соответствующего четырехходового золотника, вход корпуса каждого четырехходового золотника соединен с колонной бурильных труб, два выхода каждого четырехходового золотника соединены с полостями соответствующих приводов и исполнительного механизма, а третий выход - с затрубным пространством, при этом исполнительный механизм содержит привод и трехходовой вентиль в корпусе, при этом привод выполнен из гидропривода и подпружиненного поршня, установленных в корпусе с отверстиями над поршнем и под поршнем, который соединен с первым четырехходовым золотником, вход трехходового вентиля соединен с колонной бурильных труб, первый выход с затрубным пространством, а второй - с винтовым забойным двигателем.

На фиг. 1 изображен общий вид забойной компоновки; на фиг. 2 - схема привода отклонителя; на фиг. 3 - схема привода стопорения шарнира забойного двигателя; на фиг. 4 - схема изменения R_искр траектории; на фиг. 5 - гидравлический узел, позволяющий осуществлять промывку скважины, минуя забойный двигатель; на фиг. 6 - программатор; на фиг. 7 - четырехходовой золотник программатора; на фиг. 8 - эпюры давления, возникающие при переключении режимов работы; на фиг. 9 - график заданной траектории.

Компоновка низа бурильной колонны содержит (см. фиг. 1) колонну бурильных труб 1, программатор 2, исполнительный механизм 3, привод 4 стопорения шарнира винтового забойного двигателя, шарнир 5 винтового забойного двигателя 6, шарнир 7 отклонителя 8, привод 9 отклонителя, долото 10.

Привод 9 отклонителя (см. фиг. 2) крепится к корпусу двигателя 6 с помощью вилки 11 и представляет собой полый цилиндрический корпус 12, внутри которого установлена с возможностью перемещения сборка 13, механически соединенная с шарниром 7 отклонителя 8, в которой выполнена цилиндрическая полость 14, в последней размещен поршень 15 со штоком 16, который имеет осевое отверстие 17, соединяющееся с полостью 14 под поршнем 15. Шток 16 закреплен на корпусе 12. Верхняя часть цилиндрической полости 14 соединена проточкой с кольцевой полостью 18 для промывочной жидкости, через которую проходит ротор винтового забойного двигателя (ВЗД) 6. Кроме того, в сборке 13 выполнены два отверстия 19 и 20 для прохождения промывочной жидкости. В отверстии 20 установлен датчик 21 крайних положений отклонителя, выполненный в виде заслонки 22, которая установлена с возможностью частичного перекрытия отверстия 20.

Привод 4 стопорения шарнира винтового забойного двигателя (см. фиг.3) прикреплен к корпусу винтового забойного двигателя 6 с помощью вилки 23 и представляет собой полый цилиндрический корпус 24, в котором установлена с возможностью перемещения сборка 25, связанная с шарниром 5 ВЗД 6. В сборке 25 выполнены отверстия 26 и 27 для промывочной жидкости и цилиндрическая полость 28, в которой размещен поршень 29 со штоком 30, закрепленным в корпусе 24, и в которой выполнено отверстие 31. В отверстие 27 установлен датчик 32 положения, выполненный в виде заслонки 33 и установленной с возможностью частичного перекрытия отверстия 27.

Программатор 2 (см. фиг. 6) содержит три четырехходовых золотника 34, 35 и 36, жестко установленные в корпусе 37 программатора 2. Над золотниками 34, 35 и 36 установлен гидроцилиндр 38, связанный с кривошипно-шатунным механизмом 39, передающим через храповое колесо 40 и собачку 41 вращение валу 42, на котором закреплены три кулачка 43, воздействующие на соответствующие штоки 44 четырехходовых золотников (см. фиг. 7). В каждом золотнике через отверстия 45 поступает промывочная жидкость с давлением P₁, отверстия 46 и 47 связаны с исполнительным механизмом и приводами, а отверстие 48 связано с полостью затрубного пространства.

Перемещение золотника 34 (35 и 36) осуществляется с помощью кулачка 43 программатора 2, который взаимодействует со штоком 44 золотника 34 (35 и 36). Число четырехходовых золотников определяется числом приводов.

Исполнительный механизм 3 содержит (см. фиг.5) гидропривод 49 и трехходовой вентиль 50.

Гидропривод 49 содержит поршень со штоком 51, пружину 52, которые установлены в цилиндрическом корпусе 53, в котором выполнены отверстия 54 и 55.

Трехходовой вентиль 50 содержит корпус с тремя отверстиями 56, 57 и 58 и клапаном 59 (пунктиром показано другое крайнее положение), который связан со штоком 51 гидропривода. В отверстие 56 поступает давление P₁. Отверстие 57 связано с затрубным пространством через дроссель (без позиции). А отверстие 58 связано с входной полостью забойного двигателя 6.

Гидропривод 49 предназначен для перемещения клапана 59. Клапан 59 закрывает прохождение промывочной жидкости через отверстие 58 в режиме промывка. Происходит это под действием пружины 52 гидропривода 49 и промывочной жидкости с давлением P₁, поступающего через отверстие 55. При этом отверстие 54 под поршнем через золотник 3 соединено с затрубным пространством.

Клапан 59 под действием давления P₁, подаваемого через отверстие 54, открывает в режиме бурения отверстие 58, при этом отверстие 55 связано с затрубным пространством.

Устройство работает следующим образом.

В режиме промывка при первом включении насоса в запрограммированном цикле (см. фиг.8) шток 44 золотника 34 находится в крайнем верхнем положении и через отверстия 45 и 46 (см. фиг.7) четырехходового золотника промывочная жидкость с давлением P₁ поступает в полость над поршнем 51 (см. фиг.5) исполнительного механизма 3, а полость под поршнем 51 через отверстие 54 и дроссель соединено с затрубным пространством.

Таким образом, промывочная жидкость к винтовому забойному двигателю 6 не поступает, а сразу поступает в затрубное пространство.

В этом случае будет наименьшее падение давления промывочной жидкости в связи с отключением двигателя 6 и долота 10 (см. фиг. 8).

По окончании режима промывки насос отключается и при последующем его включении поворачивается кулачок 43 первого золотника 34 и шток 44 занимает крайнее нижнее положение. При этом промывочная жидкость с давлением P₁ из колонны бурильных труб 1 через отверстия 45 и 47 четырехходового золотника (см. фиг. 7) программатора 2 поступает в трехходовой вентиль (см. фиг. 6) через отверстие 54 исполнительного механизма под поршнем 51, а полость над поршнем через отверстия 55 гидропривода 49 и отверстия 46 и 48 соединена с затрубным пространством. Под действием перепада давления ΔP клапан 59 (см. фиг. 5) закроет отверстие 57, соединенное с затрубным пространством, и откроет отверстие 58 для поступления промывочной жидкости на винтовой забойный двигатель 6.

Промывочная жидкость через отверстие 58 трехходового вентиля 50 поступает в кольцевую полость 18 (см. фиг. 2) привода 9 отклонителя 8 и он начинает работать. В кольцевую полость 18 поступает промывочная жидкость с давление P₂ после двигателя 6. Под действием этого давления сборка 13 перейдет вверх, поскольку поршень 15 со штоком 16 соединены с корпусом двигателя. Отклонитель 8 повернется. Начинается бурение с малым радиусом искривления R₁ (см. фиг. 9). Сработает датчик 21 положения, т.к. заслонка 22 частично перекроет полость 20, произойдет скачок давления, что отражено на фиг. 8.

При следующем включении насоса через золотник 35 происходит фиксация шарнира 7 отклонителя для увеличения R_искр.

Фиксация шарнира 7 осуществляется приводом 9 стопорения. При этом золотник 35 программатора 2 займет крайнее верхнее положение. Промывочная жидкость с давлением P₁ подается через отверстия 45 и 46 четырехходового золотника и отверстие 17 под поршень 15 привода 9. В результате чего сборка 13 (см. фиг. 2) переместится вниз до упора корпуса 12 и шарнир 7 отклонителя 8 зафиксируется. В отклонителе 8 угол перекоса будет равен нулю. При этом датчик 22 положения откроет отверстие 20 и произойдет отрицательный скачок давления (см. фиг. 8). При этом R_искр увеличится за счет увеличения нижнего плеча L¹₁ = L₁+L₂ (см. фиг. 4).

При четвертом включении насоса происходит фиксация шарнира 5 двигателя 6, путем подачи давления в привод 4 (см. фиг. 3). В цилиндрическую полость 28 привода 4 из колонны бурильных труб 1 подается давление через отверстие 31 золотник 36, шток 44 которого займет крайнее верхнее положение. Через отверстия 45 и 46 четырехходового золотника промывочная жидкость P₁ поступает через отверстие 31 в полость под поршнем 29 и сборка 25 переместится вниз относительно неподвижного поршня 29 до упора. При этом сработает датчик 33 положения, произойдет частичное перекрытие отверстия 27. В результате произойдет положительный скачок давления (см. фиг. 8). При этом полость над поршнем 29 связана с затрубным пространством.

В этом случае R_искр.= ∞ и бурение происходит в режиме стабилизация зенитного угла.

На этом заканчивается заданная программа.

При следующем включении все действия будут повторяться.

При этом программа может быть и иной, например, такой, как показано на фиг. 9. Вначале режим бурения с малым радиусом, затем стабилизация зенитного угла и затем бурение с большим радиусом искривления.

Учитывая, что промывочная жидкость содержит много твердых частиц и их отделение посредством даже тонкого фильтра может не обеспечить требуемую надежность системы, в компоновке низа бурильной колонны предусмотрена установка двух цилиндров (на чертеже не показаны) с поршнями, разделяющими среду с промывочной жидкостью над поршнями, и масляную полость под поршнями, заполняющую четырехходовые золотники и приводы. Высокая надежность обеспечивается работой механизмов в замкнутой среде масла с давлением, превышающим соответственно давление в бурильной колонне и затрубном пространстве на 1-1,5 атм, что позволяет обеспечить высокую герметичность и не потребует иметь емкости большого объема.

Таким образом, в заявленной компоновке низа бурильной колонны увеличивается ресурс забойного двигателя, и простыми и надежными средствами без подъема колонны наверх осуществляется бурение с разными радиусами искривления и стабилизация зенитного угла, что выгодно отличает ее от известных компоновок.

Формула изобретения

Компоновка низа бурильной колонны, содержащая винтовой забойный двигатель с отклонителем, шарнирно соединенный с колонной бурильных труб, отличающаяся тем, что снабжена программатором, исполнительным механизмом, приводами стопорения шарнира винтового забойного двигателя и отклонителя, при этом отклонитель шарнирно соединен с винтовым забойным двигателем, к корпусу которого с помощью вилки прикреплен привод отклонителя, который выполнен в виде полого цилиндрического корпуса, внутри которого установлена с возможностью перемещения сборка, механически соединенная с шарниром отклонителя, в которой выполнено два отверстия и кольцевая и цилиндрическая полости, в последней установлены поршень со штоком, закрепленные на полом цилиндрическом корпусе, причем шток выполнен с отверстием, а верхняя часть цилиндрической полости проточкой соединена с кольцевой полостью, в которой размещен ротор винтового забойного двигателя, в одном из отверстий установлен датчик крайних положений отклонителя, выполненный в виде заслонки, привод стопорения шарнира винтового забойного двигателя соединен с помощью вилки с корпусом винтового забойного двигателя и выполнен в виде полого цилиндрического корпуса, внутри которого установлена с возможностью перемещения сборка, в которой выполнены два отверстия и цилиндрическая полость, в которой установлен поршень со штоком, закреплены на полом цилиндрическом корпусе, и которая в части под поршнем выполнена с отверстием, в одном из отверстий сборки установлен датчик крайних положений, выполненный в виде заслонки, программатор выполнен на трех четырехходовых золотниках, жестко закрепленных в собственном корпусе, над золотниками установлен гидроцилиндр, связанный с кривошипно-шатунным механизмом, который через храповое колесо с собачкой соединен с валом, на котором закреплены кулачки с возможностью взаимодействия со штоком соответствующего четырехходового золотника, вход корпуса каждого четырехходового золотника соединен с колонной бурильных труб, два выхода каждого четырехходового золотника соединены соответственно с исполнительным механизмом, приводом отклонителя и приводом стопорения шарнира винтового забойного двигателя, при этом исполнительный механизм содержит привод и трехходовой вентиль в корпусе, причем привод выполнен в виде гидропривода с подпружиненным поршнем, установленным в корпусе с отверстиями над поршнем и под поршнем, который соединен с первым четырехходовым золотником, вход корпуса трехходового вентиля соединен с колонной бурильных труб, первый выход соединен с затрубным пространством, а второй - с винтовым забойным двигателем.

РИСУНКИ

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