Патент на изобретение №2360094

(54) САМООРИЕНТИРУЮЩИЙСЯ ЗАБОЙНЫЙ ОТКЛОНИТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для изменения зенитного угла и азимута при бурении наклонных и горизонтальных скважин. Отклонитель содержит корпус, заполненную маслом кольцевую гидрокамеру с размещенным в ней кольцевым поршнем, установленным с возможностью воздействия на него рабочей жидкости, эксцентричный груз, выдвижные опорные элементы, шарнирно соединенные с плунжерами и установленные с возможностью сообщения с кольцевой гидрокамерой. Отклонитель снабжен установленной в корпусе втулкой, диском-распределителем, размещенным в кольцевой гидрокамере и подпружиненным относительно кольцевого поршня, и плотно установленным во втулке кольцом с входными отверстиями. Кольцевая гидрокамера образована между корпусом и втулкой и разделена перегородками на отсеки по количеству выдвижных опорных элементов, а эксцентричный груз закреплен на диске-распределителе, в котором выполнено отверстие, соединяющее подпоршневое пространство кольцевой гидрокамеры с ее отсеками, и длина которого определяется требуемым числом отсеков или выдвижных опорных элементов. Пружина выполнена так, что в транспортном положении отклонителя она разжата, а в рабочем положении прижимает диск-распределитель к кольцу, входные отверстия которого сообщены с отсеками кольцевой гидрокамеры. Обеспечивает повышение надежности работы. 3 ил.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для изменения зенитного угла и азимута при бурении наклонных и горизонтальных скважин.

Известно устройство для бурения наклонных скважин, содержащее гидрокамеры и плунжерные упоры /SU 927948 А, М. Кл.³ Е21В 7/08, опубл. 1982/. Две соседние гидрокамеры сообщаются между собой и имеют неодинаковые диаметры плунжеров.

Недостаток данного устройства состоит в том, что оно предназначено для изменения только азимута скважины. Кроме того, если устройство займет в скважине положение, отличающееся на 60° в любую сторону от показанного на чертеже к описанию изобретения, плунжерный упор большего диаметра перейдет с левой стороны на правую, и направление результирующей горизонтальной отклоняющей силы на долоте изменится на противоположное.

Известен самоориентирующийся забойный отклонитель, состоящий из цилиндрического полого корпуса с равномерно расположенными по окружности радиальными гидрокамерами с взаимосвязанными плунжерными упорами распределителя потока /SU 541012 А, М. Кл.² Е21В 7/108, опубл. 1976/. Распределитель устанавливается в требуемое положение за счет эксцентричного груза.

Недостаток устройства состоит в возможности заклинивания распределителя и плунжеров, работающих в среде бурового раствора. Кроме того, отклоняющее усилие на упорах плунжеров, зависящее от разности между потоком жидкости через отверстие распределителя и неконтролируемыми утечками через него, рассчитать невозможно, и оно может оказаться недостаточным для работы отклонителя.

Известно также устройство для направленного бурения, содержащее корпус, насос, приводимый в действие от вала забойного двигателя, гидросистему с клапанами и рабочей жидкостью, цилиндрические полости, заполненные ртутью, отделенные плунжерами от гидросистемы /SU 1013624 А, М. Кл.³ Е21В 7/08, опубл. 1983/.

Недостаток устройства состоит в его сложности, необходимости применения ртути, ненадежности, связанной с большим числом элементов и трудностью регулирования гидросистемы.

Известен самоориентирующийся забойный отклонитель с распределителем потока рабочей жидкости (масла), имеющим эксцентричную массу, устанавливающую его в нужное положение. Распределитель имеет две полости, разделенные клапаном и ограничителем давления; каждая полость соединена с противоположной группой плунжерных упоров /SU 985235 А, М. Кл.³ Е21В 7/08, опубл. 1982/.

Недостатком устройства является его ненадежность, связанная с тем, что масло в нагнетательную полость подается за счет пульсаций давления в плунжерных камерах. Процесс этот рассчитать затруднительно, величина пульсаций неопределенная и, вероятно, недостаточная.

Наиболее близким к предлагаемому самоориентирующемуся отклонителю можно считать шарнирный отклонитель для проводки наклонных скважин турбинным способом, содержащее кольцевую камеру, заполненную маслом, наружные и внутренние поршни, эксцентричный груз с пазами, положение которых, задаваемое на поверхности, определяет направление отклоняющей силы /SU 142239 А, опубл. 1961/.

Недостатком известного устройства является его сложность и ненадежность, связанная с тем, что не решен вопрос перехода эксцентричного груза из транспортного положения в рабочее: он либо займет неправильное положение, либо допустит утечки масла из рабочей камеры.

При осуществлении изобретения техническим результатом изобретения является повышение надежности работы самоориентирующегося отклонителя, для чего необходимо одновременное выполнение следующих условий:

работа управляющего элемента – гидравлического распределителя в камере с маслом, изолированной от промывочной жидкости;

достаточное, поддающееся расчету усилие на выдвижных отклоняющих элементах;

надежный переход управляющего элемента из транспортного положения в рабочее;

полное предотвращение утечек масла через распределитель в рабочем режиме.

Ни у одного из известных устройств перечисленные условия не выполняются, поэтому они не могут надежно выполнять функции самоориентирующегося забойного отклонителя.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном самоориентирующемся забойном отклонителе, содержащем корпус, заполненную маслом кольцевую гидрокамеру с размещенными в ней кольцевым поршнем, установленным с возможностью воздействия на него рабочей жидкости, эксцентричный груз, выдвижные опорные элементы, шарнирно соединенные с плунжерами и установленными с возможностью сообщения с кольцевой гидрокамерой, особенностью является то, что он снабжен установленной в корпусе втулкой, диском-распределителем, размещенным в кольцевой гидрокамере и подпружиненным относительно кольцевого поршня, и плотно установленным во втулке кольцом с входными отверстиями, при этом кольцевая гидрокамера образована между корпусом и втулкой и разделена перегородками на отсеки по количеству выдвижных опорных элементов, а эксцентричный груз закреплен на диске-распределителе, в котором выполнено отверстие, соединяющее подпоршневое пространство кольцевой гидрокамеры с ее отсеками, и длина которого определяется требуемым числом отсеков или выдвижных опорных элементов, причем пружина выполнена так, что в транспортном положении отклонителя она разжата, а в рабочем положении прижимает диск-распределитель к кольцу, входные отверстия которого сообщены с отсеками кольцевой гидрокамеры.

Надежность работы предлагаемого отклонителя достигается тем, что отклонитель, имеющий кольцевую гидрокамеру, заполненную маслом, кольцевой поршень и диск-распределитель с эксцентричным грузом, оснащен пружиной, расположенной между кольцевым поршнем и диском-распределителем. Пружина выполнена так, что в транспортном положении находится в расслабленном состоянии, и диск-распределитель, имеющий радиальную опору, беспрепятственно устанавливается в требуемое положение; в рабочем режиме пружина посредством кольцевого поршня прижимает диск-распределитель к поверхности с входными отверстиями отсеков кольцевой гидрокамеры, тем самым предотвращая утечки масла в отсеки (нерабочие). С плунжерами радиальных каналов шарнирно связаны выдвижные опорные элементы, которые для более надежного возврата в транспортное положение могут быть оснащены пружинами. Усилие, создаваемое на выдвижных опорных элементах (F_о.э.), определяется главным образом величиной перепада давления на насадках долота (Р_д):

где – площадь сечения кольцевой гидрокамеры;

– усилие на пружине кольцевой гидрокамеры;

– усилие на пружинах выдвижных опорных элементов.

Геометрические характеристики элементов устройства определяются с помощью соотношения:

где – перемещение кольцевого поршня;

– среднее перемещение одного плунжера;

n – число плунжеров, находящихся в работе;

– диаметр плунжера.

На фиг.1 представлен самоориентирующийся забойный отклонитель, общий вид, на фиг.2 показано положение диска-распределителя, вид В на фиг.1, на фиг.3 – выдвижной опорный элемент, вид А на фиг.1.

Отклонитель содержит корпус 1 с муфтовой резьбой для присоединения к ниппелю забойного двигателя. В корпусе 1 установлена втулка 2, которая оснащена радиальной опорой. Между корпусом 1 и установленной в нем втулкой 2 имеется кольцевая гидрокамера 3, заполненная маслом. В кольцевой гидрокамере 3 имеется кольцевой поршень 4 и диск-распределитель 5, установленный на радиальной опоре. Между диском-распределителем 5 и кольцевым поршнем 4 расположена пружина 6. Кольцевая гидрокамера 3 разделена перегородками 7 на отсеки 8 по числу выдвижных опорных элементов 9, шарнирно соединенных с плунжерами 10. Плотно установленное во втулке 2 кольцо 11 имеет входные отверстия, соединяющие отсеки 8 с пространством кольцевой гидрокамеры над кольцевым поршнем 4. Диск-распределитель 5 имеет эксцентричный груз 12 и продолговатое отверстие 13, через которое масло поступает в нужные отсеки 8 кольцевой гидрокамеры 3, расположенные со стороны, противоположной кольцевому поршню 4. Длина продолговатого отверстия 13 определяется требуемым числом отсеков (опорных элементов). Выдвижные опорные элементы 9 снабжены пружинами, например, пластинчатыми 14. Перемещение выдвижных опорных элементов 9 ограничено выступами 15 и упорами 16.

Самоориентирующийся забойный отклонитель работает следующим образом.

При спуске в скважину выдвижные опорные элементы 9, благодаря пружинам 14 и 6, утоплены. Перед началом бурения на искривленном участке скважины пружина 6 находится в расслабленном состоянии, и диск-распределитель 5 занимает рабочее положение. При подаче жидкости кольцевой поршень 4 перемещается, и пружина 6 прижимает диск-распределитель 5 к кольцу 11 с входными отверстиями, соединяющими пространство над кольцевым поршнем 4 с отсеками 8. Через отверстие 13 диска-распределителя 5 масло поступает в отсеки 8 (рабочие), приводя в действие соответствующие плунжеры 10 и выдвижные опорные элементы 9. При этом исключается попадание масла в отсеки 8 (нерабочие) кольцевой гидрокамеры 3, что могло бы сделать отклонитель неработоспособным.

Диски-распределители 5 сменные, расположение отверстия 13 в них зависит от требуемого направления действия отклоняющей силы, а его длина – от требуемого числа отсеков (опорных элементов). На фиг.2, вид В, показано положение диска-распределителя 5, при котором расположение отверстия 13 соответствует углу 270°, рабочими являются два отсека 8 кольцевой гидрокамеры 3 и, следовательно, два выдвижных опорных элемента 9. Отклоняющая сила будет направлена с левой стороны стенки скважины, что приведет к ее развороту вправо. Расстояние между упорами 16 и выступами 15 должно быть не меньше разности между возможным фактическим радиусом скважины и диаметром долота, т.е. не менее 5-6 мм.

При такой конструкции самоориентирующегося забойного отклонителя выполняются все сформулированные выше требования, что обеспечивает надежную работу отклонителя.

Формула изобретения

Самоориентирующийся забойный отклонитель, содержащий корпус, заполненную маслом кольцевую гидрокамеру с размещенным в ней кольцевым поршнем, установленным с возможностью воздействия на него рабочей жидкости, эксцентричный груз, выдвижные опорные элементы, шарнирно соединенные с плунжерами и установленные с возможностью сообщения с кольцевой гидрокамерой, отличающийся тем, что он снабжен установленной в корпусе втулкой, диском-распределителем, размещенным в кольцевой гидрокамере и подпружиненным относительно кольцевого поршня, и плотно установленным во втулке кольцом с входными отверстиями, при этом кольцевая гидрокамера образована между корпусом и втулкой и разделена перегородками на отсеки по количеству выдвижных опорных элементов, а эксцентричный груз закреплен на диске-распределителе, в котором выполнено отверстие, соединяющее подпоршневое пространство кольцевой гидрокамеры с ее отсеками, и длина которого определяется требуемым числом отсеков или выдвижных опорных элементов, причем пружина выполнена так, что в транспортном положении отклонителя она разжата, а в рабочем положении прижимает диск-распределитель к кольцу, входные отверстия которого сообщены с отсеками кольцевой гидрокамеры.

РИСУНКИ