Компоновка для направленного бурения

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в компоновке низа бурильной колонны при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин гидравлическим забойным двигателем. Сущность изобретения заключается в том, что компоновка для направленного бурения, включающая долото и забойный двигатель, имеет на корпусе выступ в виде лопасти, радиус периферии которого больше радиуса долота. Указанный выступ со стороны, обращенной к долоту, оснащен режуще-скалывающими элементами, перекрывающими в радиальном направлении расстояние между радиусами периферии выступа и долота. Для повышения устойчивости компоновки в скважине выше выступа с режуще-скалывающими элементами на оппозитной половине корпуса забойного двигателя размещен еще один выступ. Изобретение позволяет повысить технико-экономические показатели при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин. 5 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в компоновке низа бурильной колонны при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин гидравлическим забойным двигателем.

Известны и широко применяются различные компоновки для направленного бурения (Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование. ОМЗ группа Уралмаш-Ижора, 2002, стр.213-215), включающие долото и забойный двигатель-отклонитель с узлом перекоса корпуса, выполненным в виде искривленного переводника.

Применение забойных компоновок с искривленными двигателями-отклонителями сопряжено с ухудшением управляемости в криволинейном стволе скважины из-за большого сопротивления провороту такой компоновки.

Кроме того, из-за распора искривленной компоновки в прямолинейном стволе затруднено ее перемещение по скважине при спуске инструмента до забоя.

Лучшие условия для перемещения в прямолинейном стволе скважины достигаются прямыми компоновками с децентратором или с эксцентрической накладкой на ниппеле забойного двигателя-отклонителя (Оборудование, буровое противовыбросовое и устьевое. Справочное пособие, т.2 ООО «ИРЦ Газпром», 2007, стр.211-212), в которых периферийный радиус эксцентрической накладки меньше радиуса долота. Недостатком таких забойных компоновок является возможность их применения только в устойчивых породах, где исключена опасность заклинивания бурового инструмента.

Наиболее близким техническим решением из известных является турбобур-отклонитель с эксцентрической накладкой, периферийный радиус которой превышает радиус долота (Ю.В.Вадецкий. Бурение нефтяных и газовых скважин. Москва, Недра, 1973, стр.276, 277) (прототип).

Недостатком этого устройства является большая вероятность заклинивания забойной компоновки в скважине, особенно при бурении в неустойчивых породах.

Настоящее изобретение направлено на устранение указанных недостатков и повышение эффективности бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Это достигается тем, что компоновка для направленного бурения, включающая долото и забойный двигатель, имеющий на корпусе выступ в виде лопасти, радиус периферии которого больше радиуса долота, указанный выступ со стороны, обращенной к долоту, оснащен, по меньшей мере, одним режуще-скалывающим элементом, перекрывающим в радиальном направлении расстояние между радиусами периферии выступа и долота.

Для повышения устойчивости компоновки в скважине выше выступа с режуще-скалывающими элементами желательно размещать на оппозитной половине корпуса забойного двигателя еще один выступ.

Целесообразно режуще-скалывающие элементы на выступе выполнять в виде алмазно-твердосплавных резцов с углом резания между передней плоскостью резца и радиусом к его режущей кромке, находящимся в пределах 5°-30°.

Наиболее эффективен верхний выступ, если он образован дугой радиуса долота при максимальном расстоянии периферии этого выступа от оси равному радиусу периферии выступа с режуще-скалывающими элементами.

Одним из эффективных вариантов является конструкция компоновки, в которой корпус забойного двигателя ниже выступа с режуще-скалывающими элементами имеет радиус меньше, чем радиус корпуса расположенного выше указанного выступа.

Кроме этого, рациональна компоновка, в которой часть корпуса забойного двигателя, расположенная выше выступа с режуще-скалывающими элементами, имеет радиус больше, чем радиус долота.

На фиг.1, 1а, 1б изображен вид предлагаемой компоновки с выступом на корпусе, оснащенным режуще-скалывающими элементами.

На фиг.2, 2а, 2б изображен вид компоновки с выступом, расположенным в оппозитной части корпуса забойного двигателя, выше выступа с режуще-скалывающими элементами.

На фиг.3 изображено поперечное сечение компоновки в месте выступа с режуще-скалывающими элементами в виде одной лопасти, на фиг.3а - в виде двух лопастей.

На фиг.4 изображено поперечное сечение компоновки в месте выступа, расположенного выше выступа с режуще-скалывающими элементами.

На фиг.4а показан вариант исполнения верхнего выступа.

На фиг.5 показано положение компоновки в скважине при ее вращении с поверхности для осуществления проходки прямолинейного участка ствола скважины.

На фиг.6 показано положение компоновки в скважине без ее вращения с поверхности для осуществления проходки искривленного участка скважины.

На фиг.7 изображена компоновка, часть корпуса которой, расположенная ниже выступа с режущими элементами, имеет радиус меньше, чем радиус корпуса, расположенного выше указанного выступа.

Компоновка для направленного бурения (фиг.1) включает забойный двигатель 1, выходной вал 2 которого соединен с долотом 3. Выступ 4 оснащен режуще-скалывающими элементами 5, периферийный радиус r_ВР режущей кромки которых больше радиуса долота r_Д (фиг.1а). Вид В компоновки (фиг.1б) показывает расположение режуще-скалывающего элемента 5 на выступе 4.

Компоновка (фиг.2) помимо признаков (состава элементов), показанных на фиг.1, имеет выступ 7, расположенный на корпусе двигателя, выше выступа 4. Вид В компоновки (фиг.2а, 2б) показывает варианты расположения выступа 7 на части 6 корпуса, оппозитной выступу 4 с режуще-скалывающими элементами 5.

Поперечное сечение А-А компоновки в месте выступа 4 с режуще-скалывающими элементами 5 (фиг.1 и фиг.3) показывает установку элементов 5. Угол резания между передней плоскостью 8 резца 5 и радиусом к его режущей кромке r_ВР находится в пределах 5°-30°. На фиг.3а представлен вариант исполнения выступа 4 в виде двух лопастей.

Поперечное сечение Б-Б компоновки в месте выступа 7 (фиг.2 и фиг.4) показывает, что указанный выступ 7 образован дугой радиуса долота r_Д при максимальном удалении r_ВВ периферии этого выступа от оси равному радиусу r_ВР периферии выступа с режуще-скалывающими элементами (r_ВВ=r_ВР). На фиг.4а представлен вариант исполнения выступа 7. Угол α охвата периферийной поверхности выступа находится в пределах 45°-150°.

На фиг.5 показано положение компоновки в скважине при ее вращении с поверхности. При этом диаметр скважины Д_скв.=2r_ВР.

На фиг.6 показано положение компоновки в скважине без ее вращения с поверхности. При этом осуществляется проходка искривленного ствола скважины радиусом R_скв. и диаметром скважины Д_скв.=2r_Д.

Работа компоновки осуществляется следующим образом. Для запуска устройства в работу по бурильной колонне в забойный двигатель 1 (фиг.2) подается буровой раствор, приводящий во вращение выходной вал 2 двигателя с долотом 3.

Для проходки прямолинейного участка скважины (фиг.5) производится вращение компоновки бурильной колонной с поверхности. При этом формируется ступенчатый ствол скважины. Нижняя часть ствола скважины от долота 3 (фиг.1) до выступа 4 с режуще-скалывающими элементами 5 имеет радиус r_Д, а выше - радиус r_ВР. Благодаря увеличению поперечно размера ствола скважины компоновка может беспрепятственно перемещаться поступательно в бурящейся скважине. При этом выступ 7 (фиг.2), расположенный выше выступа 4, выполняет роль дополнительного центрирующего элемента при условии, когда r_ВР=r_ВВ. В зависимости от категории буримости горных пород при расширении ствола скважины угол установки режуще-скалывающих элементов (алмазно-твердосплавных резцов) 5 (фиг.3) выбирается в пределах 5°-30°. При проходке высокоабразивных, крепких пород режуще-скалывающий элемент может выполняться в виде шарошек, армированных твердосплавными зубьями. Для повышения эффективности бурения выступ 4 с режуще-скалывающими элементами 5 может быть выполнен в виде нескольких лопастей (фиг.3а).

Для проходки искривленного участка скважины (фиг.6) прекращается вращение бурильной колонны, которая фиксируется в окружном направлении в положении, соответствующем совмещению заданной плоскости искривления скважины с плоскостью, проходящей через ось компоновки и середину выступа 4 (фиг.3, 3а) с режуще-скалывающими элементами. При поступательном движении компоновки будет формироваться криволинейный ствол скважины радиусом R_СКВ. (фиг.6) и диаметром скважины Д_скв.=2r_Д. При этом выступ 7 (фиг.2), расположенный на оппозитной половине 6 (фиг.2а, 2б) корпуса, будет выполнять роль опоры, удерживающей компоновку в заданном направлении. Для большей устойчивости компоновки от действия реактивного момента верхний выступ 7 в поперечном сечении имеет радиус периферийной поверхности, равный радиусу долота r_Д (фиг.4). Кроме того, выступ 7 может быть повернут влево (вид В) относительно режущего выступа на угол 30°-90° (фиг.2 и фиг.2б).

В дальнейшем сформированный криволинейный участок скважины может быть расширен до диаметра, равного 2r_ВР, путем поступательного перемещения компоновки с ее вращением.

Интенсивность изменения угла, а следовательно, и радиус искривления R_СКВ. ствола скважины можно менять в зависимости от величин r_ВР и r_ВВ относительно r_Д, L₁ и L₂ по формуле

Предлагаемая компоновка для направленного бурения также может применяться в конструкции, где нижняя часть корпуса двигателя (от долота до выступа с режущими элементами) меньше по диаметру, чем часть корпуса над указанным выступом (фиг.7). Такая конструкция позволяет использовать в гидравлическом забойном двигателе более мощную рабочую секцию с радиусом r_КВ>r_КН.

Другим частным случаем может быть использование компоновки для направленного бурения, когда радиус части корпуса двигателя, расположенной над выступом с режущими элементами, равен или превышает радиус долота, что позволяет применять такую компоновку в качестве расширителя ствола скважины с мощной рабочей секцией забойного двигателя.

Предлагаемая компоновка для направленного бурения позволяет повысить технико-экономические показатели при проводке наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

1. Компоновка для направленного бурения, включающая соединенные между собой долото и забойный двигатель, имеющий на корпусе выступ в виде, по меньше мере, одной лопасти, радиус периферии которого больше радиуса долота, отличающаяся тем, что выступ со стороны, обращенной к долоту, оснащен, по меньшей мере, одним режуще-скалывающим элементом, перекрывающим в радиальном направлении расстояние между радиусами периферии выступа и долота.

2. Компоновка для направленного бурения по п.1, отличающаяся тем, что выше выступа с режуще-скалывающими элементами размещен на оппозитной половине корпуса, по меньшей мере, еще один выступ.

3. Компоновка для направленного бурения по п.1, отличающаяся тем, что режуще-скалывающие элементы выполнены в виде алмазно-твердосплавных резцов, причем угол резания между передней плоскостью резца и радиусом к его режущей кромке находится в пределах 5-30°.

4. Компоновка для направленного бурения по п.2, отличающаяся тем, что верхний выступ в поперечном сечении образован дугой радиуса долота при максимальном удалении периферии этого выступа от оси, равном радиусу периферии выступа с режуще-скалывающими элементами.

5. Компоновка для направленного бурения по п.2, отличающаяся тем, что корпус забойного двигателя ниже выступа с режуще-скалывающими элементами имеет радиус меньше, чем радиус корпуса, расположенного выше указанного выступа.

6. Компоновка для направленного бурения по п.2, отличающаяся тем, что часть корпуса забойного двигателя выше выступа с режуще-скалывающими элементами имеет радиус больше, чем радиус долота.