РОТОРНОЕ УПРАВЛЯЕМОЕ УСТРОЙСТВО
ROTARY CONTROLLED DEVICE

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в составе компоновки низа бурильной колонны при бурении наклонно-направленных, горизонтальных и многозабойных скважин.
Известны и применяются различные роторные управляемые компоновки (системы) (см., например, "Нефтегазовое обозрение", зима 2011-2012, Гибридная роторная управляемая система бурения - сочетание лучшего).
Следует разделять роторные управляемые системы на два типа по способу искривления скважины: с изменяемой и неизменяемой геометрией конструкции.
В роторных системах первого типа (см. например, Smart drilling, сайт: www.smart-drilling.de) используются специальные механизмы, выполняющие по команде с поверхности или от забойного устройства выдвижение лопастей или перекос компоновки с целью искривления ствола скважины. Эти роторные системы характеризуются сложностью конструкции, насыщенностью электроникой и программным обеспечением, что определяет их высокую стоимость.
Известные роторные системы с неизменяемой геометрией (см., например, патенты РФ 2112128, и 2236539 прототип) конструктивно просты и поэтому имеют низкую себестоимость в производстве и удобны в применении. Эти системы по способу искривления близки к широко применяемым двигателям-отклонителям с угловым перекосом. Указанные роторные системы включают долото и вал, состоящий из двух частей, имеющих свободу углового перекоса между собой, корпус с угловым перекосом, подвешенный на валу посредством подшипников, узел сцепления/расцепления вала и корпуса, выполненный в виде подпружиненной втулки-замыкателя, управляемой изменением величины расхода бурового раствора. Недостатками этих технических решений, приводящими к снижению надежности, являются: угловой перекос компоновки, вызывающий диаметральный распор и зависание компоновки в скважине; низкая стойкость подшипников из-за действия высокой нагрузки, равной нагрузке на долоте.
Известна компоновка для направленного бурения (патент РФ 2448231 С1), включающая соединенные между собой долото и забойный двигатель, имеющий на корпусе выступ, радиус периферии которого больше радиуса долота, оснащенный со стороны, обращенной к долоту, режуще-скалывающими резцами, перекрывающими в радиальном направлении расстояние между радиусами периферии выступа и долота. Такое техническое решение позволяет исключить в отклоняющем устройстве его угловой перекос. Однако данная компоновка, имеющая в своем составе забойный двигатель, не может применяться как роторная система.
Целью настоящего изобретения является создание конструкции роторного управляемого устройства, не имеющего перечисленных недостатков.
Указанная цель достигается тем, что в известном роторном управляемом устройстве, включающем долото и вал, присоединенные к бурильной колонне, корпус, подвешенный концентрично относительно вала посредством подшипников и имеющий снаружи по меньшей мере один выступ в виде лопасти, радиус периферии которого больше радиуса долота, оснащенный со стороны, обращенной к долоту, резцами, режущие кромки которых перекрывают в радиальном направлении расстояние между радиусами выступа и долота, и узел управления, состоящий из гидропоршневого привода, включающего поршень с направляющими наружными пазами и центральным каналом, имеющий ход от верхнего положения до нижнего, пружину и корпусной патрубок, снабженный по меньшей мере одним шипом для взаимодействия с направляющими пазами поршня, и механизма блокировки вала с корпусом в их однозначном окружном положении, этот механизм блокировки выполнен состоящим из двух элементов взаимного сцепления, например шлицевых зубьев и впадин, один из которых выполнен на корпусе, а другой на втулке, кинематически связанной с поршнем и валом и имеющей с последним зацепление в окружном направлении и свободу осевого перемещения относительно него в пределах хода поршня.
Для улучшения управляемости устройства на его корпусе оппозитно и выше по направлению от долота относительно упомянутого выступа желательно разместить еще один выступ, оснащенный по периферии в верхней его части резцами, имеющий радиус периферии больше радиуса долота.
Для получения сигнала о взаимном сцеплении/расцеплении вала и корпуса целесообразно центральный канал поршня в средней его части перекрыть заглушкой, перед и за которой выполнить соответствующие радиальные выпускные и входные каналы, а внутри корпусного патрубка в месте ниже входных каналов при верхнем положении поршня и выше них при нижнем положении поршня выполнить локальный кольцевой выступ.
На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого роторного управляемого устройства, состоящего из узла искривления 1, узла управления 2 и механизма блокировки 3 (сцепления/расцепления) вала и корпуса.
На фиг. 2а показан узел искривления 1, включающий долото 6, вал 4, корпус 5 с боковым выступом 7, оснащенным резцами 8. Через середину бокового выступа 7 и ось устройства проходит его плоскость искривления.
На фиг. 2б показан узел искривления 1 с двумя боковыми выступами 7 и 9, оппозитно расположенными относительно друг друга.
На фиг. 3 представлен узел управления 2, включающий гидропоршневой привод, состоящий из поршня 10 с направляющими наружными пазами 11 и центральным каналом 12, пружину 13, корпусной патрубок 14 с шипами 15. Движение поршня 10 относительно корпусного патрубка 14 задается взаимодействующими между собой наружными пазами 11 с шипами 15 под действием гидравлической силы, направленной вниз, или упругой силы пружины, направленной вверх.
На фиг. 4 показан механизм блокировки 3 вала 4 и корпуса 5, состоящий из двух элементов 16 и 17 их взаимного сцепления в однозначном окружном положении, один из которых выполнен на корпусе, а другой - на втулке 18, кинематически связанной с поршнем 10 и валом 4 и находящейся с последним в окружном зацеплении при свободе осевого перемещения относительно него в пределах хода поршня.
На фиг. 5 показан вариант исполнения узла сигнализации, позволяющего контролировать взаимное положение элементов 16 и 17. Этот узел включает заглушку 19, размещенную в средней части центрального канала 12 поршня 10, перед и за которой выполнены выходные 20 и входные 21 радиальные каналы, а внутри корпусного патрубка 14, в месте ниже расположения входных каналов 21 поршня при его верхнем положении и выше расположения входных каналов 21 при нижнем положении поршня 10, размещен локальный кольцевой выступ 22. При перемещении поршня 10 от верхнего положения до нижнего место расположения заглушки 19 кратковременно совпадает с местом кольцевого выступа 22 корпусного патрубка 14. В этот момент создается импульс давления, регистрируемый на поверхности. Одновременно с этим происходит сцепление вала 4 с корпусом 5 посредством вступления в контакт их элементов 16 и 17.
На фиг. 6а и 6б изображена кинематическая схема устройства при его работе соответственно на стабилизацию направления ствола скважины и на его искривление.
Работа предлагаемым роторным управляемым устройством производится следующим образом. После спуска устройства на забой скважины и пуска бурового насоса по показаниям манометра на поверхности определяется готовность устройства к работе на искривление ствола скважины или стабилизацию его направления. Отсутствие импульса давления говорит о расцепленных между собой вала 4 и корпуса 5 (фиг. 6б). Для работы по стабилизации направления необходимо произвести сцепление вала и корпуса. Это обеспечивается снижением подачи (расхода) бурового раствора или выключением бурового насоса с последующим восстановлением подачи раствора, при котором произойдет сцепление вала и корпуса (фиг. 6а), сопровождаемое импульсом давления, регистрируемым на поверхности. При снижении подачи бурового раствора снижается гидравлическая сила на поршне 10 (фиг. 3), и под действием преобладающей упругой силы пружины 13 он поднимается относительно шипа 15 в верхнее положение «а1». После восстановления подачи раствора под действием возросшей гидравлической силы поршень 10 перемещается в положение «b». При этом идут два процесса: - создается импульс давления вследствие кратковременного перекрытия кольцевым выступом 22 (фиг. 5) кольцевого канала от выходных радиальных каналов 20 к входным каналам 21; а элементы 16 корпуса и 17 вала вступают в зацепление в однозначном их взаимном окружном положении. Приведя во вращение бурильную колонну, можно осуществлять проходку прямолинейного участка.
Для перехода к проходке искривленного участка необходимо сначала остановить вращение бурильной колонны и выставить плоскость искривления устройства в нужном азимуте и снизить подачу раствора или выключить насос. Затем, восстановив подачу раствора до нормы и убедившись в отсутствии импульса давления, привести во вращение бурильную колонну и приступить к проходке искривленного участка скважины. При описанной манипуляции с подачей раствора поршень 10 относительно шипа 15 (фиг. 3) сначала занимает положение «а2», а затем зависает в положении «с». В положении «с» не происходит зацепление элементов 16 и 17 (фиг. 6б) и не возникает гидроимпульса из-за того, что выходные каналы 20 поршня (фиг. 5) не доходят до локального кольцевого выступа 22 корпусного патрубка 14.
По мере углубления ствола скважины выступ 7 (фиг. 2а) вступает в контакт со стенкой ствола, образованной долотом 6. В результате возникает боковая отклоняющая сила, действующая на выступ 7 и соответственно на долото 6, что вызывает искривление ствола. Для лучшей управляемости компоновки и предсказуемости интенсивности искривления целесообразно размещать на корпусе 5 (фиг. 2б) оппозитно выступу 7 еще один выступ 9.
При работе устройства на искривление его корпус 5 сохраняет свое азимутальное положение благодаря взаимодействию со стенками скважины боковыми выступами 7 и 9, оснащенными резцами 8. При работе устройства на стабилизацию направления корпус 5 вращается совместно с валом 4 и своими резцами 8 производит калибрование ствола скважины.
Благодаря исключению влияния момента на долоте на азимутальную ориентацию устройства, а также возможности непрерывного вращения бурильной колонны как на прямолинейном, так и на искривленном участке, становится возможной проходка горизонтального ствола скважины большой протяженности.
Использование предлагаемого роторного устройства позволит добиться сокращения эксплуатационных издержек и тем самым повысить эффективность горизонтального бурения.