УСТРОЙСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОСТАЦИОНАРНОСТИ НАВИГАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ТРАЕКТОРИИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR PROVIDING GEOSTATIONARY OF NAVIGATIONAL EQUIPMENT OF TELEMETRIC SYSTEM OF MONITORING OF WELL DIRECTION

Изобретение относится к области роторного бурения скважин и может быть использовано при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин.
Известно устройство обеспечения геостационарности навигационного оборудования телеметрической системы мониторинга траектории ствола скважины, входящее во вращательное направляемое скважинное буровое устройство, раскрытое в патенте на изобретение РФ №2229012, 2004 г. Устройство содержит электронные средства для энергопитания, чувствительные датчики положения и системы управления, установленные по всей длине невращаемого компонента, стабилизирующую переходную муфту, внутри которой установлены вращаемые компоненты управляемого бурового инструмента. При бурении стабилизирующая переходная муфта, в которой расположены телеметрические датчики положения и электронные средства бурового инструмента, содержащая удлиненные изогнутые эластичные стабилизирующие лопасти, с помощью которых поддерживается контакт скольжения со стенками ствола скважины, может скользить или медленно вращаться относительно горной породы, что обеспечивает нахождение бурового инструмента в геостационарном положении.
Недостатком устройства является неплотный контакт изогнутых эластичных лопастей стабилизирующей переходной муфты с горной породой в момент прохождения бурового раствора по кольцевому пространству при бурении, что не обеспечивает снижения частоты вращения стабилизирующей переходной муфты. В результате встроенные в муфту датчики положения выдают ошибочные навигационные данные, что не обеспечивает достаточной точности траектории бурения скважины. Кроме того, недостатком является повышенный износ эластичных элементов, обусловленный трением о горную породу, а также частицами шлама, что создает контакт стабилизирующей переходной муфты с горной породой, и геостационарность датчиков положения не обеспечивается. Кроме того, недостатком является низкая надежность конструкции элементов стабилизатора, в результате чего при бурении может произойти отделение элементов стабилизатора и эластичных элементов от стабилизирующей переходной муфты, что приведет к неплотному контакту стабилизирующей переходной муфты с горной породой и геостационарность датчиков положения не будет обеспечивается.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для поддержания глубинного навигационного оборудования в состоянии, стабилизированном от вращения по отношению к буровой колонне, входящее в роторную управляемую буровую систему, раскрытую в патенте на изобретение США №5265682, 1993 г. Известное устройство содержит опору, подсоединяемую к буровой колонне, пустотелый цилиндрический корпус, содержащий комплект датчиков и находящийся в опоре, подшипник вращения, крыльчатку, установленную на корпусе и вращаемую потоком бурового раствора, средства, обеспечивающие передачу момента от крыльчатки корпусу, акселерометры, определяющие частоту вращения навигационного оборудования, а также датчики стабилизации вращения навигационного оборудования по отношению к буровой колонне. Вырабатываемая в результате вращения потоком бурового раствора крыльчатки электроэнергия питает навигационное оборудование и преобразуется во вращение корпуса, обратное вращению буровой колонны, обеспечивающее геостационарное положение навигационного оборудования. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пустотелый цилиндрический герметичный корпус, содержащий основание, выполненное с возможностью вращения; навигационные датчики, установленные на основании; подшипник вращения и датчик частоты вращения, размещенные внутри корпуса.
Недостатками известной системы, принятой за прототип, являются:
- зависимость геостационарного положения навигационного оборудования от двух факторов: частоты вращения буровой колонны и скорости потока бурового раствора, колебание которых не всегда позволяет обеспечить вращение корпуса с частотой, компенсирующей вращение буровой колонны, например, в случае снижения скорости поступления бурового раствора, что приведет к ошибкам навигационных датчиков;
- значительный износ и низкий срок службы тормозной системы при постоянном биении бурильной колонны, поддерживающей навигационные датчики в геостационарном положении;
- высокая скорость абразивного износа лопастей крыльчатки буровым раствором, что приводит к необходимости частых ремонтов системы;
- образующаяся в результате прохождения бурового раствора пленка твердой фракции, которая препятствует прохождению магнитного поля от магнитов крыльчатки к ротору, в результате чего тормозная система не обеспечивает геостационарное положение навигационного оборудования.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности работы устройства, повышение стабильности геостационарного положения навигационных датчиков, повышение точности определения пространственного положения бурового инструмента.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном устройстве обеспечения геостационарности навигационного оборудования телеметрической системы мониторинга траектории ствола скважины, включающем пустотелый цилиндрический герметичный корпус, содержащий основание, выполненное с возможностью вращения, установленные на основании навигационные датчики и размещенные внутри корпуса подшипник вращения и датчик частоты вращения, согласно изобретению в корпусе дополнительно установлены моментный двигатель, токопровод, две втулки, два амортизатора с прокладками, расположенные с обеих сторон корпуса, при этом первый амортизатор с одной стороны закреплен на моментном двигателе, а с другой стороны выполнен с возможностью жесткого соединения, например, с оборудованием телеметрической системы, в статоре моментного двигателя выполнено цилиндрическое отверстие, в которое установлены токопровод и первая втулка, соединенная с основанием, вторая втулка содержит подшипник вращения, жестко связана со вторым амортизатором и через подшипник вращения соединена с основанием, второй амортизатор выполнен с возможностью жесткого соединения, например, с силовой частью компоновки низа бурильной колонны, причем жесткость амортизационных прокладок в поперечном направлении превышает продольную.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - в корпусе дополнительно установлены моментный двигатель, токопровод, две втулки, два амортизатора с прокладками, расположенные с обеих сторон корпуса; первый амортизатор с одной стороны закреплен на моментном двигателе, а с другой стороны выполнен с возможностью жесткого соединения, например, с оборудованием телеметрической системы; в статоре моментного двигателя выполнено цилиндрическое отверстие, в которое установлены токопровод и первая втулка, соединенная с основанием; вторая втулка содержит подшипник вращения, жестко связана со вторым амортизатором и через подшипник вращения соединена с основанием; второй амортизатор выполнен с возможностью жесткого соединения, например, с силовой частью компоновки низа бурильной колонны; жесткость амортизационных прокладок в поперечном направлении превышает продольную.
Наличие моментного двигателя, установленного в корпусе, обеспечивает плавность хода на всех углах редукции, отсутствие люфтов и микроударов в начале кручения и при изменении скорости кручения, что позволяет повысить надежность работы устройства и тем самым повысить стабильность геостационарного положения навигационных датчиков и точность определения пространственного положения бурового инструмента.
Наличие амортизаторов, расположенных с обеих сторон внутри корпуса, обеспечивает гашение колебаний в продольном направлении, что позволяет повысить надежность работы устройства.
Для передачи крутящего момента от моментного двигателя основанию и обеспечения требуемой величины демпфирования жесткость амортизационной прокладки в поперечном направлении должна превышать продольную, что позволяет обеспечить виброзащиту инклинометров и отсутствие механического резонанса конструктивных элементов. В результате повышается надежность работы устройства.
Установка в цилиндрическое отверстие статора моментного двигателя токопровода и втулки, соединенной с основанием, обеспечивает двухстороннюю передачу информации между навигационными датчиками и пультом оператора на устье скважины в момент вращения основания.
Наличие втулки, расположенной в корпусе, содержащей подшипник вращения и жестко связанной со вторым амортизатором и через подшипник вращения соединенной с основанием, позволяет основанию свободно вращаться. В результате обеспечивается плавность хода моментного двигателя, и, следовательно, повышается надежность работы устройства, стабильность геостационарного положения навигационных датчиков и точность определения пространственного положения бурового инструмента.
На чертеже схематично представлено заявляемое устройство в горизонтальном положении (разрез сбоку).
Устройство обеспечения геостационарности навигационного оборудования телеметрической системы мониторинга траектории ствола скважины включает пустотелый цилиндрический герметичный корпус 1, содержащий основание 2, выполненное с возможностью вращения. В корпусе 1 размещен моментный двигатель 3, представляющий собой двигатель прямого привода с электромагнитной индукцией. В статоре моментного двигателя 3 выполнено цилиндрическое отверстие, ось которого совмещена с осью моментного двигателя 3. В цилиндрическое отверстие установлены токопровод 4 и втулка 5, соединенная с основанием 2. Внутри корпуса 1 расположены с обеих сторон два амортизатора. Амортизаторы состоят соответственно из крышек 6, 7, контейнеров 8, 9, установленных в контейнерах 8, 9 прокладок 10, 11. Контейнер 8 амортизатора с помощью винтов 12 жестко закреплен на моментном двигателе 3. Амортизационные прокладки 10, 11 могут быть выполнены из силикона. Жесткость амортизационных прокладок 10, 11 в поперечном направлении должна превышать продольную.
Первый амортизатор выполнен с возможностью жесткого соединения, например, с оборудованием телеметрической системы. Второй амортизатор выполнен с возможностью жесткого соединения, например, с силовой частью компоновки низа бурильной колонны,
На основании 2 установлены навигационные датчики 13, например инклинометры, акселерометры, микропроцессор и электронная плата 14, соединенная с токопроводом 4. Внутри корпуса 1 размещены датчик частоты вращения 15, втулка 16, содержащая подшипник вращения 17, например шариковый. Втулка 16 жестко связана со вторым амортизатором и через подшипник вращения 17 соединена с основанием 2.
Устройство обеспечения геостационарности навигационного оборудования телеметрической системы мониторинга траектории ствола скважины работает следующим образом.
При строительстве горизонтальных и наклонно направленных скважин используются навигационные системы, которые для изменения направления бурения позволяют управлять долотом. Отклонение долота в заданном направлении возможно при нахождении навигационных датчиков 13 в геостационарном положении (неподвижном относительно координат Земли). Предлагаемое изобретение используется при роторном бурении. В предлагаемом изобретении датчик частоты вращения 15 передает на микропроцессор текущую частоту вращения компоновки низа бурильной колонны, определяющий требуемую для обеспечения геостационарного положения навигационных датчиков 13 частоту вращения в противоположном направлении. В соответствии с сигналом, приходящим от микропроцессора, моментный двигатель 3, представляющий собой двигатель прямого привода с электромагнитной индукцией, вращает основание 2 с навигационными датчиками 13, установленное в подшипнике вращения 17, в направлении, обратном направлению вращения компоновки низа бурильной колонны. Амортизаторы, моментный двигатель 3 и втулка 5 являются невращаемыми элементами устройства обеспечения геостационарности навигационного оборудования телеметрической системы мониторинга траектории ствола скважины. Амортизаторы гасят колебания в продольном направлении, которые могут быть вызваны, например, ударами компоновки низа бурильной колонны о забой скважины. Для передачи крутящего момента от моментного двигателя 3 основанию 2 и обеспечения требуемой величины демпфирования жесткость амортизационной прокладки в поперечном направлении превышает продольную, что обеспечивает виброзащиту инклинометров и отсутствие механического резонанса конструктивных элементов. Токопровод 4 обеспечивает передачу электроэнергии от источника питания постоянного тока навигационным датчикам, а также двухстороннюю передачу информации между навигационными датчиками 13 и пультом оператора на устье скважины. Устройство обеспечения геостационарности навигационного оборудования телеметрической системы мониторинга траектории ствола скважины содержит жесткий герметичный корпус 1, не подверженный влиянию бурого раствора. Подшипник вращения 17 содержит антифрикционную смазку. В случае использования магнитных инклинометров все металлические элементы устройства обеспечения геостационарности навигационного оборудования телеметрической системы мониторинга траектории ствола скважины должны быть изготовлены из немагнитных материалов.
Конструкция моментного двигателя 3 обеспечивает плавность хода на всех углах редукции, отсутствие люфтов и микроударов в начале кручения и при изменении скорости кручения. Моментный двигатель 3 работает от электропитания постоянного тока.
Такая конструкция устройства позволяет повысить надежность работы устройства, повысить стабильность геостационарного положения навигационных датчиков и повысить точность определения пространственного положения бурового инструмента.