Устройство для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин

Полезная модель относится к устройствам для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин с использованием геоизмерительных телесистем.
При бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин необходима высокая точность проводки стволов для обеспечения попадания в заданные коридоры между различными пластами и исключения возможного прорыва газа из газовой шапки или чрезмерного приближения к границе водоносного горизонта.
Для отслеживания траектории скважины в процессе бурения в компоновке низа буровой колонны применяются различные геоизмерительные телесистемы, например телесистема LWD-650 компании «Halliburton», размещаемые выше переливного и (или) обратного клапанов и гидравлического забойного двигателя. Для обеспечения корректной работы датчиков и магнитных зондов телесистемы, а особенно инклинометрических, их размещают в немагнитных переводниках или немагнитных буровых трубах.
На точность измерения инклинометрических зондов влияет присутствие намагничиваемых металлических элементов забойного двигателя и дополнительных устройств, общая длина которых, в зависимости от габарита двигателя и необходимой мощности, составляет порядка 7-11 метров, поэтому данный зонд (точка замера) в компоновке телесистемы отдаляют (до 12-18 м) от забойного двигателя и долота. Отдаление инклинометрического зонда от долота ухудшает точность прогнозирования азимутального и зенитного углов бурового инструмента, что затрудняет удержание ствола при проходке скважины в пределах проектных вертикальных коридоров (±1 м), особенно с волнообразной пространственной траекторией проходки через пласты с высоким водоносным насыщением.
Известны гидравлические устройства, входящие в компоновку низа буровой колонны, такие как переливной клапан (RU 168809 U1, опубл. 21.02.2017) или клапан обратной промывки переливной (RU 155797 U1, опубл. 20.10.2015), обратный клапан бурильной колонны (RU 129142 U1, опубл. 20.06.2013) или обратный клапан для предотвращения зашламовывания забойных устройств (RU 178337 U1, опубл. 30.03.2018), обеспечивающие безаварийную работу забойного двигателя при спуско-подъемных операциях и исключают его зашламовывание. Известен гидравлический забойный двигатель (RU 2586124 С1, опубл. 10.06.2016), содержащий двигательную секцию, включающую в себя верхнее ловильное устройство и винтовой героторный механизм, вращение которого осуществляется насосной подачей текучей среды; регулятор угла перекоса или косой переводник, соединяющего двигательную секцию со шпинделем; карданный вал, проходящий через регулятор угла перекоса или косой переводник и передающий вращение от винтового героторного механизма на вал шпиндельной секции; шпиндельную секцию, вал которой соединен с долотом.
Общим недостатком приведенных устройств является создание существенных помех магнитным зондам геоизмерительных телесистем из-за наличия в них намагничиваемых металлических узлов и элементов. Известны конструкции забойных двигателей, в которых отдельные элементы конструкции выполнены из немагнитных материалов. Так в винтовой гидромашине (RU 2471076 С2, опубл. 27.12.2012) статор является твердым металлическим, сплавным, керамическим или композитным материалом; в забойном двигателе (RU 2566512 С2, опубл. 27.10.2015) труба статора и шпиндель содержит материал, выбранный из группы: железа, стали, инструментальной стали, углеродистой стали, вольфрамовой стали, латуни и меди; в буровом долоте для бурильного устройства (RU 2644975 С2, опубл. 15.02.2018) на валу шпиндельной секции установлен датчик-магнитомер, а шпиндель и его хвостовик выполнены из немагнитного материала.
Недостатком приведенных конструкций является частичная замена материала забойного двигателя на немагнитный материал, что не решает в полной мере задачу по снижению влияния металлических элементов двигателя на точность измерения магнитных зондов телеметрической системы.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание бурового устройства для наклонно-направленного и горизонтального бурения с пониженным уровнем помех, оказываемых на работу магнитного зонда телесистемы.
Технический результат - повышение точности измерений магнитными зондами телеметрической системы при определении пространственного положения бурового инструмента за счет снижения помех от элементов бурового устройства, и как следствие, повышение точности бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Технический результат достигается путем замены материала, из которого выполнены забойный двигатель и дополнительные устройства, на немагнитный.
Предприятием проведены исследовательские работы по подбору материала, удовлетворяющего поставленной задаче, в результате которых, в качестве конструкционного материала была выбрана немагнитная аустенитная Mn-Cr сталь марки Р550, имеющая высокие физико-механические свойства, обеспечивающие надежную работу высоконагруженных элементов двигателя в тяжелых условиях бурения и имеющая, в отличие от обычных конструкционных сталей, (например, стали SAE 1045, μ=1000) более низкую относительную магнитную проницаемость (μ=1,005).
Из предложенной стали была изготовлена опытная партия двигателей диаметром 76 и 106 мм с двигательной секцией и ловильным устройством. Двигатели успешно прошли стендовые испытания, после чего при проведении промысловых испытаний на месторождениях Урало-Поволжья и Республики Коми были подтверждены повышение точности бурения наклонно-направленных и горизонтальных проходок с использованием имеющихся у буровых компаний систем телеметрии, а также показатели ресурса работы и надежности высоконагруженных узлов забойного двигателя, показавшие целесообразность использования выбранной марки стали для изготовления забойного двигателя и дополнительных устройств.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
Фиг. 1 - Устройство для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин содержит буровое долото 1; забойный двигатель 2, включающий в себя шпиндельную секцию 9 вал 8 которой соединен с долотом 1, регулятор угла перекоса или косой переводник 11 с карданным валом 10, двигательную секцию 12, включающую в себя винтовой героторный механизм и верхнее ловильное устройство 13; обратный клапан 3; переливной клапан 4; немагнитную буровую трубу 5 с размещенным в ней магнитным датчиком инклинометрического зонда 6. Поток бурового раствора 7 показан стрелками.
Фиг. 2 - Переливной клапан содержит корпус 4 с отверстиями в стенке 14; поршневую втулку 15 с отверстиями в стенке 16; пружину 17.
Фиг. 3 - Обратный клапан содержит корпус 3; поршень 18; пружину 19.
Фиг. 4 - Гидравлический забойный двигатель содержит шпиндельную секцию 9 с валом 8; карданный вал 10; регулятор угла перекоса или косой переводник 11, двигательную секцию 12, представляющую собой статор винтового героторного механизма с эластомером 22 и ротор 23; верхнее ловильное устройство 13, включающее вал 20 и гайку 21.
Работа устройства.
Перед спуском буровой колонны, в зависимости от выполняемой операции, с помощью регулятора угла перекоса 11 на забойном двигателе 2 устанавливается требуемое искривление оси шпиндельной секции 9 и долота 1 относительно оси двигательной секции 12, 13, клапанов 3, 4 и колонны буровых труб 5.
При спуско-подъемных операциях буровой колонны переливной 4 и обратный 3 клапаны обеспечивают ее безаварийное заполнение или опорожнение, предотвращают возможные выбросы газа или жидкости через бурильные трубы, исключая зашламовывание забойного двигателя 2 и бурового долота 1.
При бурении буровой раствор 7 через буровые трубы 5, переливной 4 и обратный 3 клапаны с избыточным давлением подается на забойный двигатель 2, приводя во вращение ротор 23 винтового героторного механизма и через карданный вал 10 и вал 8 шпиндельной секции 9, долото 1, осуществляя процесс бурения.
В процессе бурения магнитный зонд 6 измеряет положение (направление) бурового инструмента и передает координаты в систему навигации (не показана), на основании которых оператор управляет процессом бурения увеличивая или уменьшая забойным двигателем 2 скорость вращения долота 1, скорость подачи (опускания) колонны бурильных труб 5, при необходимости вращая колонну буровых труб 5 с забойным двигателем 2, клапанами 3, 4 или поворачивая ее на необходимый угол с учетом установленного угла искривления шпиндельной секции 9 и долота 1 относительно оси двигательной секции 12, 13, клапанов 3, 4 и колонны 5 бурильных труб, обеспечивая тем самым необходимый вектор и скорость бурения.