шарнирный отклонитель

Формула изобретения

Шарнирный отклонитель, включающий корпус, установленный в корпусе полый вал, равномерно расположенные по окружности корпуса гидрокамеры, клапанную систему распределения потока жидкости, содержащую запорный орган, выполненный с возможностью скольжения по торцам штуцеров, смонтированным во втулке, гидравлические каналы, связывающие каждую гидрокамеру с полостями корпуса, и управляющий маятник, подвешенный на тонких стержнях к муфте и связанный с запорным органом, опору отклонителя на стенки скважины, отличающийся тем, что запорный орган выполнен в виде золотника, управляемые гидрокамеры установлены внутри корпуса с возможностью воздействия на полый вал для изменения направления бурения, полый вал соединен со шпинделем шарнирной муфтой и имеет возможность отклонения от оси корпуса отклонителя за счет конструкции подшипников, а шпиндель выполнен с возможностью вращения в самоустанавливающемся и радиально-осевом подшипниках или в шаровой опоре, а опора отклонителя на стенки скважины выполнена в виде установленной на корпусе отклонителя нижней муфты, на которой профрезерованы продольные заостренные к вершине шлицы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а конкретно к средствам управления траекторией бурения скважин. Известны забойные устройства для направления стволов бурящихся скважин без спуска приборов в бурильные трубы для ориентирования отклонителей по расчетному азимуту: а. с. СССР N 541012, N 197472, N 142239, N 1657634 и др. Наиболее близкое устройство к предлагаемому описано в а. с. СССР N 1661346 кл. E 21 В 7/08. Это устройство включает корпус, полый вал, гидрокамеры, равномерно расположенные по окружности корпуса, клапанную систему распределения потока жидкости по гидрокамерам, содержащую запорный орган, выполненный с возможностью скольжения по торцам штуцеров, смонтированных во втулке, гидравлические каналы, связывающие каждую гидрокамеру с полостями корпуса, управляющий маятник, подвешенный на тонких стержнях к муфте и связанный с запорным органом, а также опору отклонителя на стенки скважины. Конструкция устройства удовлетворяет требованиям управления траекторией скважины, но ограничивает темпы набора кривизны ствола скважины до 2-2,5^o на 10 м бурения в связи с жесткостью низа бурильной колонны и ограниченным выходом опорных элементов устройства за корпус. Кроме того, как показали испытания устройства по а. с. N 1661346, при резке "окон" в обсадных трубах для бурения вторых стволов через 8-10 ч работы опорные элементы забиваются металлическими опилками и становятся неуправляемыми.

Целью изобретения является увеличение надежности и снижение стоимости буровых работ.

Для решения указанной задачи в шарнирном отклонителе, включающем корпус, установленный в корпусе полый вал, равномерно расположенные по окружности корпуса гидрокамеры, клапанную систему распределения потока жидкости, содержащую запорный орган, выполненный с возможностью скольжения по торцам штуцеров, смонтированным во втулке, гидравлические каналы, связывающие каждую гидрокамеру с полостями корпуса, и управляющий маятник, подвешенный на тонких стержнях к муфте и связанный с запорным органом, опору отклонителя на стенки скважины, запорный орган выполнен в виде золотника, управляемые гидрокамеры установлены внутри корпуса устройства с возможностью воздействия на полый вал для изменения направления бурения, полый вал соединен со шпинделем шарнирной муфтой и имеет возможность отклонения от оси корпуса отклонителя за счет конструкции подшипников, а шпиндель выполнен с возможностью вращения в самоустанавливающемся и радиально-осевом подшипниках или в шаровой опоре, а опора отклонителя на стенки скважины выполнена в виде установленной на корпусе отклонителя нижней муфты, на которой профрезерованы продольные заостренные к вершине шлицы.

В предлагаемом изобретении шарнир поворота шпинделя устанавливается в конце корпуса устройства с возможностью перегиба оси шпинделя относительно оси корпуса устройства на значительный угол, что позволит увеличить темпы набора кривизны ствола скважины при бурении, а при прорезании "окон" в обсадных колоннах фрезеровать трубы под большим углом к стенке трубы, что уменьшит вероятность скольжения фрезера с нарезанного уступа при увеличенной нагрузке от веса бурильной колонны. При больших углах перекоса осей возможно фрезерование "окон" без предварительной установки цементных мостов.

Предлагаемое устройство может быть использовано в турбинном и роторном бурении для проводки наклонно направленных, вертикальных и горизонтальных скважин, ориентированного прорезания обсадных колонн и направленного бурения новых стволов в эксплуатационных и аварийных скважинах.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез отклонителя, на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1, на фиг. 3-4 положение рабочих органов отклонителя соответственно для увеличения и уменьшения угла наклона ствола скважины, на фиг. 5 схема расположения элементов механизма для изменения азимута направления скважины.

Отклонитель состоит из корпуса 1, в котором расположен полый вал 2, соединенный со шпинделем 3 шарнирной муфтой 4 и через переводник 5 с колонной бурильных труб или с валом забойного двигателя. Шпиндель 3 через переводник 6 соединен с долотом. Полый вал 2 вместе со шпинделем 3 вращаются внутри корпуса 1 на подшипниках 7, 8, 9, 10, 11. На корпусе 1 навинчены муфты верхняя 12 и нижняя 13. На муфте 13 профрезерованы направляющие продольные шлицы 14, армированные твердым сплавом. Шпиндель 3 в муфте 13 вращается на аксиально-радиальном подшипнике 10 и самоустанавливающемся подшипнике 11. Внутреннее кольцо подшипника 10 неподвижно закреплено на шпинделе 3, между его наружным кольцом и внутренней стенкой муфты 13 по радиусу имеется зазор, в результате чего подшипник 10 имеет возможность радиального смещения на величину зазора.

Задняя стенка муфты 13, на которую опирается подшипник 10, имеет сферическую форму, обеспечивающую постоянный контакт с ней наружного кольца подшипника 10 при отклонении шпинделя 3 от оси корпуса 1. Таким образом подшипник 10, принимая аксиальную нагрузку, позволяет шпинделю 3 отклоняться от оси корпуса на некоторую величину с пересечением их осей в диаметральном центре самоустанавливающегося подшипника 11. В зависимости от размеров и конструкции устройства этот угол перегиба можно довести до любых практически необходимых размеров. При больших углах перегиба (до 10^o ), что требуется при прорезании "окна" в обсадной колонне, подшипники шпинделя устанавливаются в шаровую опору 31, фиг. 3.

На верхний конец полого вала 2 установлены радиальный шариковый подшипник 7 и аксиальный 8, наружные кольца которых закреплены в муфте 12. Конструкция подшипников и схема их установки допускают возможность перекоса осей полого вала 2 и корпуса 1 в пределах 1^o, с пересечением их осей в центре подшипника 7. К нижней части муфты 12 на резьбе закреплена труба 15, образующая вместе с корпусом 1 кольцевую камеру, в которой работает механизм управления траекторией. На нижнем конце трубы 15 с наружной стороны на резьбе установлена втулка 16, в которой закреплены штуцеры 26. На втулке по наружному диаметру установлено резиновое уплотнение 17. На верхнем конце трубы 15 с внутренней стороны устанавливается резиновый манжет 18, герметизирующий кольцевой зазор между полым валом 2 и внутренними стенками трубы 15. Размеры манжета и его эластичность допускают смещение полого вала 2 относительно оси корпуса 1 на 2-3 мм, не нарушая герметичности.

В полом валу 2 просверлены отверстия 19, через которые промывочная жидкость поступает в продольные прорези 20 в муфте 12 и в кольцевую камеру механизма управления, который состоит из кольцевого маятника 21, подвешенного на тонких стержнях 22 к муфте 12. Маятник 21 соединен тонкими болтами 23 с кольцевым золотником 24. Болты 23 свободно скользят в сверлениях маятника 21. Пружины 25, одетые на болты 23 между маятником 21 и золотником 24, гасят вибрацию и обеспечивают прижатие золотника к штуцерам 26. Маятник 21, стремясь к зениту при отклонении скважины от вертикали, передвигает к соответствующей стенке золотник 24, лежащий на торцах штуцеров 26. Входные отверстия в штуцерах просверлены со смещением от их осей. Эксцентричность позволяет входные отверстия подводить к внутренней или наружной стенке кольцевой камеры. Промывочная жидкость поступает через штуцеры 26 в трубки 27 и через них в гидрокамеры 28, отклоняющие шпиндель 3 в заданном направлении.

Из камер жидкость постоянно вытекает через жиклеры 29. Диаметр отверстий жиклеров в 3-4 раза меньше диаметров отверстий штуцеров. За счет разницы в потерях давления в штуцерах и в жиклерах (в 15-20 раз) в гидрокамерах поддерживается давление, обеспечивающее необходимое усилие на полый вал 2 и долота на стенку скважины. В кольцевой камере, образованной корпусом 1 и трубой 15, давление поддерживается за счет потерь давления в насадке 30, ввинченной в торец полого вала 2.

Работа отклонителя осуществляется следующим образом. Перед спуском отклонителя в скважину в зависимости от задачи проводится настройка его механизма управления: корпус 1 отвинчивается, приподнимается над втулкой 16.

Для увеличения зенитного угла наклона ствола скважины штуцеры 26 в своих гнездах поворачиваются входными каналами к наружной стенке кольцевой камеры (фиг. 3). Трубки 27 напрямую (по одной оси) соединяются с ниже расположенными гидрокамерами 28. После чего корпус 1 вновь свинчивается с муфтами 12 и 13.

При отклонении оси скважины от вертикали на некоторый угол маятник 21 отклоняется от оси устройства к вертикали и перемещает в этом же направлении золотник 24, который открывает входные отверстия для промывочной жидкости на штуцерах 26 со стороны наклона скважины. Гидрокамеры 28, наполнившись промывочной жидкостью, с усилием за счет перепада давления на жиклерах 29 смещают подшипник 9, низ полого вала 2, муфту 4 и верхний конец шпинделя 3 к стенке корпуса 1. При этом шпиндель 3 поворачивается в диаметральном центре самоустанавливающегося подшипника 11 в плоскости и направлении искривления скважины. При углублении скважины зенитный угол искривления будет увеличиваться.

Для уменьшения зенитного угла наклона скважины при настройке штуцеры 26 входными отверстиями поворачиваются к внутренней стенке кольцевой камеры (фиг. 4). Каналы, так же как и в первом случае, соединяются с гидрокамерами, лежащими на одной оси (по одной прямой). Управляющий маятник 21, стремясь занять положение ближе к вертикали, открывает каналы на штуцерах со стороны, противоположной направлению искривления скважины, и гидрокамеры 28, отжимая низ полого вала 2, и верхнюю часть шпинделя 3 к стенке корпуса, расположенной в направлении искривления, и поворачивают конец шпинделя 3 с долотом против направления кривизны скважины.

Для изменения азимута направления искривления ствола скважины на определенный угол вправо или влево от фактического направления ствола скважины необходимо при настройке механизма управления направить поток жидкости из штуцеров 26 в гидрокамеры 28 со смещением на расчетный угол. На фиг. 5 показано смещение направления шпинделя от направления наклона скважины вправо на 90^o. Это обеспечивается длиной и формой трубок 27.

От проворота в скважине устройство фиксируется продольными шлицами 14 на муфте 13, которые прижимаются к стенке скважины реакцией, вызванной нажатием шпинделя с долотом на противоположную стенку. Одновременно продольная форма шлицов позволяет перемещаться устройству вдоль оси скважины вместе с колонной бурильных труб при соответствующем нажиме. При случайном тангенциальном проскальзывании опорных элементов и корпусов относительно стенок скважины механизм управления переключит гидрокамеры 28 в соответствии с настройкой установки направления шпинделя 3 относительно плоскости наклона ствола скважины.