РЕГУЛЯТОР УГЛА ПЕРЕКОСА С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ПЛОСКОСТЕЙ ИСКРИВЛЕНИЯ ГЕРОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
REGULATOR OF TWIST ANGLE WITH DEVICE FOR CONTROL OVER POSITION OF CURVATURE PLANE OF GEROTOR MOTOR

Изобретение относится к технике бурения наклонно-направленных скважин, а именно к регулирующим отклоняющим устройствам, применяемым в героторных двигателях с двойным искривлением корпусной системы.
Известна отклоняющая компоновка для управляемого бурения героторным двигателем «Navi-Drill» (Композит. Каталог нефтегазового оборудования и услуг. Том 1, 1995-1996 гг., Россия, Москва, ул.Римского-Корсакова, 4. С.109. Высокая технология для улучшения буровых операций), в состав которой входят регулируемое отклоняющее устройство, установленное между шпинделем и статором многозаходного героторного механизма типа АКО с дополнительной установкой над статором или двигателем регулируемого кривого переводника типа ABS.
Отклоняющая компоновка для управляемого бурения наклонно-направленных скважин, где героторный двигатель имеет в своем составе систему регулируемых переводников AKO/ABS, приведена в справочном пособии (Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели: Справочное пособие. М.: ОАО «Издательство Недра», 1999. С.302-310. - Эксплуатация двигателей для бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин).
Недостатком известной отклоняющей компоновки является отсутствие возможности ступенчатого изменения угла искривления регулируемого кривого переводника типа ABS, так как в соответствии с конструктивным исполнением угол наклона резьбы кривого вала постоянен и по данным «Руководства по двигателям «Navi-Drill» составляет 2°, а муфтовая резьба корпуса не имеет наклона к его центральной оси. Таким образом, при круговом отклонении кривого вала относительно корпуса не происходит изменение угла перекоса между частями регулируемого кривого переводника типа ABS.
При такой конструкции регулируемого кривого переводника возможно производить только совмещение плоскостей искривления регулируемого отклоняющего устройства, установленного между шпинделем и статором героторного двигателя, с плоскостью искривления регулируемого кривого переводника путем поворота кривого вала в корпусе и фиксирования этого положения закреплением резьбового соединения между кривым валом и верхним переводником, имея постоянный угол искривления.
Другим недостатком известной конструкции героторного двигателя с двойным искривлением корпусной системы и постоянным углом искривления регулируемого кривого переводника является невозможность ее применения при бурении наклонно-направленных скважин на участках изменения направления ствола скважины с набором угла более 12° на 30 метров проходки.
Эти недостатки известной отклоняющей компоновки с применением героторного двигателя ограничивают ее использование при управляемом бурении наклонно-направленных скважин, так как не предусматривают переустановку нового значения угла перекоса регулируемого кривого переводника при подъеме колонны бурильных труб с двигателем. Вследствие этого теряется возможность влияния дополнительно установленного в двигателе регулируемого кривого переводника на изменение темпа набора параметров кривизны ствола скважины, что по существу приводит к снижению точности проводки скважины по заданной траектории.
В известной шарнирной муфте для соединения бурильной колонны с забойным (героторным) двигателем (Патент RU № 2285106 С2, Е21В 7/08) исключены некоторые недостатки указанного ранее регулируемого кривого переводника, а именно имеется возможность одноплоскостного отклонения полого вала относительно полого корпуса колебательно в пределах от 0° до 5° по типу отвеса, что позволяет в сочетании с определенным углом искривления регулируемого отклоняющего устройства, установленного в героторном двигателе, обеспечить работоспособность отклоняющей компоновки при минимальных напряжениях изгиба в корпусной системе героторного двигателя и связанной с шарнирной муфтой бурильной трубе.
Недостатком известной шарнирной муфты является наличие подвижных сопряжений между пазами и выступами торцовой полумуфты, кулачковой муфты и полого корпуса, которые воспринимают реактивный момент и ударные нагрузки при работе героторного двигателя, находясь в среде абразивного бурового раствора, что приведет в результате жестких соударений к износу контактирующих элементов с искажением их формы и постепенному смещению плоскости искривления шарнирной муфты относительно плоскости искривления регулируемого отклоняющего устройства с потерей управляемости процесса бурения по заданной траектории.
Другим недостатком известной шарнирной муфты является стремление полого вала под действием переменной осевой нагрузки отклоняться на любой угол искривления в диапазоне от 0° до 5° относительно полого корпуса и переводника, тем самым, оказывая постоянное влияние на изменение геометрических параметров и, следовательно, не изменяя направления действия всей отклоняющей компоновки в процессе бурения наклонно-направленной скважины. Под действием текущих значений осевой нагрузки на подвижные соединения шарнирной муфты в направлении одноплоскостного искривления осей произойдет потеря устойчивости изогнутой колонны бурильных труб со снижением управляемости процессом бурения по заданной траектории.
Также недостатком известной шарнирной муфты является низкая надежность и герметизирующая способность уплотнений, контактирующих со сферической пятой полого вала. Под действием осевой нагрузки и крутильных колебаний в месте контакта сферического подпятника и сферической пяты полого вала произойдет ускоренный износ сферических поверхностей и уплотнений, при этом полый вал сместится в осевом направлении относительно уплотнений с образованием зазоров в этой паре. Отсутствие способности к самоуплотнению, а также появление зазоров в месте контакта уплотнений и полого вала при их износе и износе сферических поверхностей приводит к изменению взаимного расположения полого вала с уплотнением.
Промывочная жидкость, протекая под давлением 7-12 МПа через поврежденные уплотнения, вызывает гидроабразивный размыв сферических поверхностей полого вала и подпятника с быстрым разрушением уплотнений, что приводит к утрате работоспособного состояния шарнирной муфты. По мере возрастания утечек промывочной жидкости через уплотнения шарнирной муфты в затрубное пространство и уменьшения давления в колонне бурильных труб нагрузочная способность героторного двигателя снижается, что отражается на эффективности процесса бурения со снижением показателей. Это ограничивает возможное применение шарнирной муфты в компоновке с героторным двигателем при бурении наклонно-направленных скважин.
Таким образом, известная шарнирная муфта, имея возможность под действием переменной осевой нагрузки произвольно изменять угол искривления между подвижно соединенных ее элементов в пределах определенного диапазона углового смещения и, следовательно, в процессе бурения неуправляемо изменять направление действия искривленной компоновки, характеризуется недостаточной точностью проводки наклонно-направленных скважин.
Эти и другие недостатки известной шарнирной муфты при использовании ее в составе компоновки низа бурильной колонны (КНБК) для направленного бурения не позволяют достичь необходимой точности проводки наклонно-направленных скважин и не дают возможности выполнять требуемое расчетное искривление скважины при выполнении буровых работ.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является регулируемое отклоняющее устройство, имеющее одну плоскость искривления (Патент RU № 2235181 С2, Е21В 7/08), которое устанавливается между шпинделем и статором героторного двигателя, задавая проектный угол продвижения КНБК с породоразрушающим инструментом при бурении наклонно-направленных скважин.
Известное регулируемое отклоняющее устройство, включающее кривой вал с наружными шлицами, кривой переводник с торцовыми зубьями, муфту с торцовыми зубьями и верхний переводник, при установке между шпинделем и статором многозаходного героторного механизма обеспечивает одноплоскостной изгиб героторного двигателя.
Недостатком известного регулируемого отклоняющего устройства является отсутствие возможности ориентирования в окружном положении его плоскости изгиба при установке регулятора в качестве дополнительного узла искривления над статором многозаходного героторного механизма относительно плоскости искривления регулируемого отклоняющего устройства, установленного между шпинделем и статором героторного двигателя.
Другим недостатком КНБК с регулируемым отклоняющим устройством является отсутствие направленного одноплоскостного изгиба в месте соединения героторного двигателя с бурильной колонной, то есть в плоскости искривления самого героторного двигателя и ствола скважины в призабойной зоне. Это приводит к отклонению траектории ствола наклонно-направленной скважины при бурении от заданного направления.
Направленный одноплоскостной изгиб бурильной колонны в месте ее соединения с героторным двигателем позволяет уменьшить напряжения изгиба во всех составных частях КНБК при бурении наклонно-направленной скважины.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности и стабильности проводки наклонно-направленных скважин и повышение темпа набора кривизны ствола скважины путем возможной переустановки углов отклонения как регулятора угла перекоса, так и регулируемого отклоняющего устройства героторного двигателя, а также за счет управления положением плоскости искривления в окружном направлении регулятора угла перекоса относительно плоскости искривления регулируемого отклоняющего устройства без разборки героторного двигателя с продвижением жесткой компоновки технологического инструмента при бурении по заданному профилю ствола скважины.
Другой технической задачей является уменьшение сопротивления прохождению героторного двигателя в стволе скважины и снижение напряжений изгиба в жесткой компоновке технологического инструмента, включающего героторный двигатель с двойным искривлением корпусной системы и низа колонны бурильных труб, в процессе бурения искривленного участка наклонно-направленной скважины за счет наиболее рационального подбора углов отклонения регулятора угла перекоса и регулируемого отклоняющего устройства героторного двигателя, а также с учетом места установки регулятора угла перекоса в жесткой компоновке технологического инструмента, применяемых опорно-центрирующих элементов и диаметра долота.
Другой технической задачей является повышение надежности регулятора угла перекоса за счет исключения в конструкции подвижных соединений с уплотнениями, работающих под давлением более 7 МПа.
Сущность технического решения заключается в том, что регулятор угла перекоса с устройством для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя, содержащий кривой вал с наружными шлицами, муфту с торцовыми зубьями, верхний и кривой переводники, несоосно расположенные между собой, и муфту, установленную на шлицах кривого вала, при этом верхний и кривой переводники соединены с кривым валом резьбами на обращенных друг к другу краях, а оси резьб, выполненных на искривленных участках кривого вала и кривого переводника, пересекаются в одной точке на центральной оси кривого вала, имея одну плоскость искривления, согласно изобретению он содержит промежуточный вал с присоединительными резьбами и наружными шлицами, обойму с зубчатой насечкой на торце, установленную на шлицах промежуточного вала, и соединительный переводник с зубчатой насечкой на верхнем торце, взаимодействующей с зубчатой насечкой обоймы, причем промежуточный вал скреплен резьбами с нижним краем кривого переводника и верхним краем соединительного переводника, при этом соединительный переводник установлен на промежуточном валу с возможностью окружного смещения относительно обоймы.
Кроме того, согласно изобретению оси промежуточного вала, обоймы, соединительного переводника совмещены и расположены по центральной оси кривого переводника.
Кроме того, регулятор угла перекоса с устройством для управления положением плоскости искривления героторного двигателя согласно изобретению расположен между статорами героторного двигателя для их секционирования.
В результате того, что регулятор угла перекоса для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя содержит в своем составе устройство для регулирования угла искривления между его элементами, включающее кривой проводник, промежуточный вал, обойму и соединительный переводник, становится возможным повысить точность проводки искривленного участка ствола наклонно-направленной скважины при использовании жесткой компоновки КНБК, включающей героторный двигатель с двумя искривлениями корпусной системы по длине, а также производить в процессе бурения установку оптимальных углов искривления как на регуляторе угла, так и на регулируемом отклоняющем устройстве с совмещением плоскостей искривления без разборки двигателя при подъеме КНБК.
На фиг.1 показан общий вид регулятора угла перекоса, продольный разрез.
На фиг.2 показана схема героторного двигателя с двумя искривлениями корпусной системы.
Регулятор угла перекоса с устройством для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя содержит кривой вал 1 с наружными шлицами 2, муфту 3 с торцовыми зубьями 4, верхний переводник 5, кривой переводник 6 с торцовыми зубьями 7, при этом центральная ось 8 и ось искривленного участка кривого вала 1 пересекаются в точке 9 под углом α.
Кривой переводник 6 соединен на резьбе с промежуточным валом 10, имеющим наружные шлицы 11, на которых установлена обойма 12 с торцовой насечкой 13. На нижнем конце промежуточного вала 10 установлен соединительный переводник 14 с торцовой насечкой 15, взаимодействующей с торцовой насечкой 13 обоймы 12. Центральная ось 16 и ось искривленного участка кривого переводника 6 также пересекаются в точке 9 под углом α. Кроме того, оси промежуточного вала 10, обоймы 12, соединительного переводника 14 совмещены и расположены по центральной оси 16 кривого переводника 6. Для герметизации резьбовых соединений на концах кривого и промежуточного валов в канавках размещены уплотнительные кольца 17.
Регулятор угла перекоса I (фиг.2) с устройством для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя располагается над статором многозаходного героторного механизма II, а регулируемое отклоняющее устройство III устанавливается между шпинделем IV и статором II. Углы искривления (2α) регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III могут независимо устанавливаться в пределах от 0 до 2α ступенчато. При этом одновременно производится совмещение плоскостей искривления регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III в одной плоскости искривления, проходящей через точки искривления 18 и 19. На боковых поверхностях регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III по окружности выполнены продольные риски 20 и 21 с соответствующими отметками углов искривления. На боковых поверхностях регулятора угла перекоса I в месте стыка соединительного переводника 14 и обоймы 12 также по окружности выполнены продольные риски 22 и 23 с угловым шагом, равным угловому шагу торцовых насечек трапецеидального профиля с нанесенным напротив каждой риски ее порядковым номером.
Регулятор угла перекоса I с устройством для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя может быть расположен между статорами II героторного двигателя при их секционировании.
Регулятор угла перекоса 1 для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя работает следующим образом.
При установке регулятора угла перекоса I над статором II героторного двигателя (фиг.2) его плоскость искривления может не совпадать с плоскостью искривления регулируемого отклоняющего устройства III из-за различного окружного положения резьб по концам статора II, соединительного переводника 14 регулятора угла перекоса I и верхнего переводника регулируемого отклоняющего устройства III при свинчивании резьбовых соединений героторного двигателя требуемым моментом затяжки.
Для окружного ориентирования направленного одноплоскостного изгиба регулятора угла перекоса I героторного двигателя с двумя перекосами корпусной системы, по существу, в плоскости искривления регулируемого отклоняющего устройства III (фиг.2) определяют относительное окружное положение отметок углов искривления регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III после затяжки резьбовых соединений.
В случае относительного смещения плоскостей искривления регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III героторного двигателя определяется угол этого смещения, для чего производится перенос по образующей положения отметок углов искривления 20 и 21 на соответствующие продольные риски 22 и 23 регулятора угла перекоса I.
Для точной окружной ориентации плоскостей искривления героторного двигателя отметку 20 угла искривления регулятора угла перекоса I переносят по образующей на нижний торец обоймы 12 с фиксированием соответствующей продольной риски 22 и ее цифрового обозначения. Таким же способом отметку 21 угла искривления с регулируемого отклоняющего устройства III переносят по образующей на верхний торец соединительного переводника 14 с фиксированием соответствующей продольной риски 23 и ее цифрового обозначения.
Для совмещения плоскостей искривления героторного двигателя с двумя перекосами корпусной системы производится раскрепление резьбового соединения на один оборот между промежуточным валом 10 и кривым переводником 6 регулятора угла перекоса I. Обойма 12 смещается по шлицам 11 промежуточного вала 10 до расцепления торцовых насечек 13 и 15. Производится переустановка обоймы 12 относительно соединительного переводника 14 до совмещения продольных рисок 22 и 23 с зафиксированными на них ранее цифровыми отметками, после чего обойма 12 перемещается до зацепления торцовыми насечками 13 с насечками 15 соединительного переводника 14. Точность совмещения плоскостей искривления героторного двигателя с двумя перекосами корпусной системы определяется количеством торцовых насечек, выполненных на сопряженных торцах обоймы 12 и соединительного переводника 14 регулятора угла перекоса I. После закрепления резьбового соединения между промежуточным валом 10 и кривым переводником 6 регулятора угла перекоса I проверяется точность совмещения плоскостей искривления героторного двигателя с двумя перекосами корпусной системы.
Возможен вариант исполнения регулятора угла перекоса I с устройством для управления положением плоскостей искривления героторного двигателя, выполненного без торцовых насечек на сопряженных торцах обоймы и соединительного переводника.
Создание возможности управления положением плоскостей искривления героторного двигателя с двумя перекосами корпусной системы для их совмещения посредством регулятора угла перекоса I и установкой требуемых углов искривления регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III героторного двигателя в каждом из перекосов в диапазоне от 0 до 2α, причем эти операции выполняются на буровой, значительно расширит технологические возможности использования героторного двигателя с достижением большей точности при проводке искривленного участка ствола наклонно-направленной скважины.
Таким образом, реализация отличительных признаков регулятора угла перекоса позволяет достичь следующих положительных технических результатов:
- обеспечение возможного повышения несущей способности регулятора угла перекоса;
- сохранение на более длительный период в работоспособном состоянии регулятора угла перекоса;
- обеспечение управлением положения плоскости искривления регулятора угла перекоса для установки одноплоскостного изгиба в героторном двигателе и требуемых углов искривления регулятора угла перекоса и регулируемого отклоняющего устройства;
- снижение напряжений изгиба в компоновке героторного двигателя с двумя перекосами корпусной системы без потери устойчивости КНБК;
- повышение точности проводки наклонно-направленных скважин;
- повышение надежности и долговечности регулятора угла перекоса, обладающего высокой герметичностью резьбовых соединений.
Героторный двигатель с двумя перекосами корпусной системы, снабженный регулятором угла перекоса I, установленным над статором многозаходного героторного механизма, для установки одноплоскостного изгиба в героторном двигателе и требуемых углов искривления регулятора угла перекоса I и регулируемого отклоняющего устройства III позволяет эффективно осуществлять, с высокой для практики точностью, все виды технологических операций при бурении участков изменения направления ствола скважины с интенсивностью более 8° на 30 метров проходки.
Предлагаемое техническое решение при его использовании позволяет на базе одного устройства обеспечить проходку искривленного участка ствола скважины с необходимыми корректировками по интенсивности кривизны.