устройство для направленного бурения

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ, включающее трубчатый корпус, установленный в нем на опорах ротор с узлом вращения, отличающееся тем, что оно снабжено подпружиненной с обеих сторон дополнительной массой с осевыми проточными каналами, установленной с наружной стороны ротора между опорами с возможностью осевого перемещения, а ротор выполнен с направляющими для взаимодействия с дополнительной массой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для проводки наклонного ствола скважины.

Известны устройства, которые включаются в состав КНБК для искривления оси скважины в азимутальном направлении [1] Устройство включает вал с центральным каналом и радиальными отверстиями. На нем подвижно установлена втулка с опорными лопастями, в которых выполнены отверстия с левой или с правой стороны. Втулка образует с валом кольцевую полость, гидравлически связанную с центральным каналом и с отверстиями в лопастях. При бурении часть промывочной жидкости поступает в кольцевую полость и выбрасывается через отверстия в лопастях. При этом втулка будет вращаться и в зависимости от того, с какой стороны выполнены отверстия в лопастях, наружная поверхность корпуса будет взаимодействовать со стенкой скважины и ствол скважины будет искривляться в сторону уменьшения или увеличения азимута.

Известно устройство, включающее вал с центральным каналом, установленный в корпусе, узел вращения корпуса и средство распределения потока. Корпус относительно вала расположен эксцентрично. Узел вращения корпуса выполнен в виде героторного механизма, ротор выполнен за одно целое с валом, статор жестко связан с корпусом. Средством распределения потока выполнено в виде подпружиненной втулки с диффузором. За счет направления и распределения потока промывочной жидкости достигается вращение корпуса, совпадающее с направлением вращения или противоположное направлению вращения долота. При вращении корпуса в сторону, противоположную направлению вращения долота, опорные элементы корпуса взаимодействуют со стенкой ствола скважины, долото смещается от оси ствола скважины в направлении уменьшения азимута. Если направление вращения корпуса и долота совпадают, долото смещается в направлении увеличения азимута [2] В известных устройствах в наклонных скважинах под действием осевой силы Р возникает отклоняющая сила Q на долоте, а также сила реакции на опорном элементе. Под действием данной силы и за счет принудительного вращения опорного элемента создается дополнительная поперечная сила на долоте. Таким образом регулирование азимута ствола скважины обеспечивается за счет эффекта наката наружной поверхности опорного элемента на боковую стенку скважины. При этом интенсивность изменения азимута зависит от подачи промывочной жидкости и величины осевой нагрузки, что ставит процесс регулирования азимута в зависимости от входных технологических параметров. Известные устройства регулируют азимут в сравнительно незначительных пределах.

Известно устройство для направленного бурения, включающее корпус и размещенную на опорах цилиндрическую массу, выполненную в виде диффузора струйного насоса, снабженную узлом вращения. Камера смешения струйного насоса сообщается с затрубным пространством. Узел вращения выполнен в виде осевой турбины или в виде сегнерова колеса. Промывочная жидкость от бурового насоса и дополнительный объем жидкости, поступившей из затрубного пространства, из смесительной камеры проходит через осевую турбину и раскручивает цилиндрическую массу до расчетной частоты вращения. Изменение направления ствола скважины осуществляют путем изменения направления вращения цилиндрической массы при подъеме [3]

Под действием осевой нагрузки Р на долоте возникает поперечная составляющая реакции забоя Q. Под действием этой силы Q за некоторый промежуток времени t, КНБК совершит движение по дуге радиусом R, равным радиусу ствола скважины на данном участке. Это перемещение равнозначно повороту КНБК вокруг оси ОУ с угловой скоростью Гироскопическая масса при угловом перемещении со скоростью создает гироскопический момент, стремящийся развернуть ось в азимутальной плоскости. На долоте возникает горизонтальная отклоняющая сила от действия гироскопического эффекта.

Известно устройство для направленного бурения, включающее трубчатый корпус, установленный в нем на опорах полый ротор с расположенной в его полости узел вращения, выполненный в виде осевой турбины или сегнерова колеса. Причем оно снабжено клапаном для перекрытия полого ротора и реверсивным узлом его вращения, выполненным в виде многоступенчатой осевой турбины, роторы и статоры которой жестко связаны с наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса соответственно [4]

Промывочная жидкость от бурового насоса и дополнительный объем жидкости, поступившей за счет эжекционного эффекта, проходят через осевую турбину и раскручивают полый ротор до расчетной частоты вращения. Увеличение потока промывочной жидкости ведет к увеличению частоты вращения с вращающего момента ротора.

Схема действия сил в стволе скважины и механизм возникновения гироскопического момента аналогичен описанному в [3]

Недостатком устройств [3, 4] является то, что они обеспечивают возникновения небольшого по величине гироскопического момента. Величина последнего прямо пропорциональна скорости прецессии и частоте вращения ротора. При отсутствии динамической активности гироскопической массы скорость прецессии имеет относительно низкую величину.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения путем усиления действия гироскопического момента на долоте за счет придания динамической активности гироскопической массе.

Достигается это тем, что устройство для направленного бурения, включающее трубчатый корпус, установленный в нем на опорах ротор с узлом вращения, дополнительно снабжено подпружиненной с обеих сторон массой с осевыми проточными каналами. Масса установлена с наружной стороны ротора между опорами с возможностью осевого перемещения по направляющим, выполненным на роторе. Осевые каналы выполнены для уменьшения гидравлического сопротивления.

В известных конструкциях устройств для направленного бурения скважин [1, 2] ориентированное регулирование азимутом ствола скважины обеспечивается за счет эффекта наката наружной поверхности опорного элемента на боковую стенку скважины. Величина регулируемого азимута зависит от входных технологических параметров, причем азимут можно регулировать только в незначительных пределах.

В устройстве [3] ориентированное регулирование азимутом ствола скважины достигается за счет создания гироскопического эффекта в КНБК, образующего дополнительную отклоняющую силу на долоте. Интенсивность азимутального искривления зависит от частоты вращения ротора и скорости прецессии. Последняя является геометрической суммой угловой скорости _мех поворота центра масс гироскопического устройства при движении с механической скоростью по дуге кривизной, равной кривизне ствола скважины, а также угловой скорости _кол, возникающей от одновременного действия продольных и поперечных колебаний КНБК. Причем величина угловой скорости _кол намного больше величины _мех. Угловая скорость _кол зависит от амплитуд продольных и поперечных колебаний центра масс, а также от частоты колебаний.

В предлагаемом изобретении гироскопический вал снабжен дополнительной подпружиненной массой, которая имеет возможность осевого перемещения (колебаний), с амплитудой, кратно больше амплитуды продольных колебаний, под действием периодической возмущающей силы, обусловленной перекатыванием шарошек долота по волнообразному забою (Балицкий П.В. Взаимодействие бурильной колонны с забоем скважины. М. Недра, 1983, 132 с.)

Такое выполнение гироскопической массы динамически активной позволяет существенно увеличить скорость прецессии. Причем величина скорости прецессии будет пропорциональна осевой амплитуде перемещения массы и частоте колебаний в данном направлении. А следовательно, с увеличением скорости прецессии будет усиливаться действие гироскопического момента и добавочной отклоняющей силы на долоте.

На фиг.1 изображено устройство для направленного бурения; на фиг.2 схема действующих на устройство сил.

Устройство для направленного бурения включает ротор 1, установленный на опорах 2 в трубчатом корпусе 3, верхний 4 и нижний 5 переводники, узел вращения 6 ротора и расположенную между опорами ротора дополнительную массу 7 с осевыми проточными каналами 8, выполненными для уменьшения гидравлического сопротивления. Масса 7 установлена с возможностью перемещения по направляющим 9, выполненным на наружной стороне ротора 1, и снабжена пружинами 10, установленными с обеих ее сторон. Узел вращения ротора выполнен в виде многоступенчатой осевой турбины, состоящей из роторов 11, статоров 12, роторных гаек 13 и дистанционных втулок 14 и 15. Роторы 10 и статоры 11 узла вращения жестко связаны с наружной поверхностью ротора 1 и с внутренней поверхностью корпуса 3 соответственно.

Устройство для направленного бурения работает следующим образом. Устройство включается в состав КНБК и устанавливается над долотом. Промывочная жидкость от бурового насоса поступает на осевые турбины узла вращения 6. Проходя через них поток промывочной жидкости раскручивает ротор 1 до оборотов n при моменте М, причем направление вращения ротора 1 соответствует направлению рабочих элементов осевой турбины.

В процессе бурения скважины на нижнюю часть бурового инструмента, включающего устройство для направленного бурения, действуют следующие силы: осевая Р, поперечная реакция забоя Q и реакция R в месте касания инструментом стенки ствола скважины. При этом под действием гармонических (в первом приближении) осевой Р и поперечной Q сил на долоте, дополнительная масса 7 будет совершать осевые колебания по направляющим 9 ротора 1 с некоторой амплитудой А_о и частотой _o Поскольку величина А_о много больше значения продольных колебаний долота, мы будем иметь дополнительное увеличение скорости прецессии как массы 7, так и ротора 1. Возникающий при этом гироскопический момент будет усиливаться за счет дополнительной динамической активности массы. Величина скорости прецессии будет пропорциональна осевой амплитуде перемещения и частоте колебаний массы 7. С увеличением скорости прецессии усиливается действие гироскопического момента и дополнительной отклоняющей силы на долото.

Поскольку основными технологическими операциями механического бурения является малоинтенсивное снижение, либо набор зенитного угла, следовательно, преимущественным направлением движения долота является движение в направлении оси ОУ (фиг.2). Значит, гироскопический момент будет стремится развернуть ось ОХ устройства в плоскости азимута.

Таким образом, путем изменения направления вращения ротора 1 при учете направления скорости прецессии (набор или снижение зенитного угла) можно заранее спрогнозировать направление изменения азимута.

Применение предлагаемого изобретения, включаемого в состав КНБК, позволит существенно повысить эффективность наклонного бурения за счет осуществления безориентированного регулирования азимута ствола скважины. Включением в состав КНБК опорно-центрирующих элементов, определенного типоразмера и изменением направления вращения ротора 1, можно добиваться заранее прогнозируемого азимутального искривления, либо, что наиболее часто встречается, предотвращения естественного изменения азимута, обусловленного геологическими факторами.