устройство для направленного бурения

Формула изобретения

1. Устройство для направленного бурения, содержащее полый корпус с упорным торцом, установленный в нем переходный ниппель с подвижным упором для взаимодействия своими торцами с упорным торцом полого корпуса и с выполненным на переходном ниппеле наружным выступом, полуоси или ось поворота, установленные в плоскости, перпендикулярной оси устройства, уплотнительное кольцо и уплотнительную втулку со сферическими рабочими поверхностями на концах, нижние из которых установлены с возможностью взаимодействия с переходным ниппелем, отличающееся тем, что переходный ниппель установлен в полом корпусе с возможностью поворота, а устройство снабжено верхним переводником, установленным в полом корпусе и связанным с ним посредством полуосей или оси поворота, при этом уплотнительное кольцо установлено на верхний переводник для взаимодействия с торцом полого корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижный упор выполнен в виде стопорной гайки, установленной на выполненную на переходном ниппеле дополнительную левую резьбу.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо установлено на верхний переводник с возможностью скольжения по торцу полого корпуса и подпружинено, верхний конец уплотнительной втулки установлен в верхнем переводнике и размещен выше полуосей или оси поворота, а нижний конец уплотнительной втулки установлен в переходном ниппеле и размещен ниже полуосей или оси поворота.

Описание изобретения к патенту

Устройство для направленного бурения относится к буровой технике и может быть использовано при бурении направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин в составе винтовых забойных двигателей для согласования направления плоскости своего искривления с направлением плоскости искривления, выполняемым на винтовом забойном двигателе (для изменения интенсивности набора кривизны буримой скважины).

Известна шарнирная муфта бурильной колонны, содержащая полый корпус и установленный в нем патрубок, соединенный с полым корпусом посредством втулки со шпонками и кулачковой муфты со шлицами, выполненными на дополнительных сферических поверхностях корпуса и втулки, и узел герметизации, выполненный в виде сферической поверхности и резиновой манжеты (см., например, а.с. №1656113, Е 21 В 7/08, опубл. 15.06.91 г., бюл. №22).

Недостатком известной шарнирной муфты бурильной колонны является то, что она не защищена от попадания шлама (мелких абразивных частиц выбуренной породы) в зазоры между шлицами из затрубного пространства при спуско-подъемных операциях. Это приводит к тому, что известная шарнирная муфта бурильной колонны теряет свою возможность искривляться относительно продольной оси и перестает выполнять основную функцию, т.к. шлам, попадая в зазоры, оседает, там накапливается, цементируется и образует одно целое с деталями известной шарнирной муфты, препятствуя ее искривлению.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для направленного бурения, содержащее полый корпус с упорным торцом, установленный в нем переходный ниппель с подвижным упором для взаимодействия своими торцами с упорным торцом полого корпуса и с выполненным на переходном ниппеле наружным выступом, ось поворота, установленная в плоскости, перпендикулярной оси устройства, уплотнительное кольцо и уплотнительную втулку со сферическими рабочими поверхностями на концах, нижние из которых установлены с возможностью взаимодействия с переходным ниппелем (см. например, патент Российской Федерации №2081987, 6 Е 21 В 7/08, опубл. 20.06.97 г., бюл. №17). Это техническое решение принято за прототип.

Однако известное устройство для направленного бурения не решает задачи ориентации (положения в пространстве) плоскости своего искривления с плоскостью искривления забойных механизмов, установленных с ним в одной компоновке.

Этот недостаток известного устройства для направленного бурения не позволяет использовать его в совместных компоновках и не позволяет повысить точность проводки скважин по расчетным траекториям.

Другим недостатком известного устройства для направленного бурения является то, что в устройстве затруднен доступ к трущимся деталям (осям) для их смазки и требуется периодическая разборка и сборка устройства в условиях ремонтной базы.

Это создает некоторые неудобства и дополнительные трудности при эксплуатации известного устройства для направленного бурения. Эти и другие недостатки известного устройства для направленного бурения не позволяют в полной мере обеспечивать их длительную безаварийную работу, не дают возможности повышать надежность, долговечность и экономическую эффективность устройства и при этом обеспечивать необходимую точность проводки наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Задачами предлагаемого изобретения являются устранение имеющихся недостатков известного устройства для направленного бурения и повышение точности проводки наклонно направленных и горизонтальных скважин за счет создания возможности совмещения плоскости искривления предлагаемого устройства для направленного бурения и возможных плоскостей искривления, совместно устанавливаемых забойных механизмов (например, искривленных винтовых забойных двигателей), сохранение на более длительный период в работоспособном состоянии, повышение надежности, долговечности и экономической эффективности предлагаемого устройства для направленного бурения.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в известном устройстве для направленного бурения, содержащем полый корпус с упорным торцом, установленный в нем переходный ниппель с подвижным упором для взаимодействия своими торцами с упорным торцом полого корпуса и с выполненным на переходном ниппеле наружным выступом, полуоси или ось поворота, установленные в плоскости, перпендикулярной оси устройства, уплотнительное кольцо и уплотнительную втулку со сферическими рабочими поверхностями на концах, нижние из которых установлены с возможностью взаимодействия с переходным ниппелем, согласно изобретению переходный ниппель установлен в полом корпусе с возможностью поворота, а устройство снабжено верхним переводником, установленным в полом корпусе и связанным с ним посредством полуосей или оси поворота, при этом уплотнительное кольцо установлено на верхний переводник для взаимодействия с торцом полого корпуса:

- подвижный упор выполнен в виде стопорной гайки, установленной на выполненную на переходном ниппеле дополнительную левую резьбу;

- уплотнительное кольцо установлено на верхний переводник с возможностью скольжения по торцу полого корпуса и подпружинено, верхний конец уплотнительной втулки установлен в верхнем переводнике и размещен выше полуосей или оси поворота, а нижний конец уплотнительной втулки установлен в переходном ниппеле и размещен ниже полуосей или оси поворота.

В результате того, что в предлагаемом устройстве для направленного бурения, содержащем полый корпус с упорным торцом, установленный в нем переходный ниппель с подвижным упором для взаимодействия своими торцами с упорным торцом полого корпуса и с выполненным на переходном ниппеле наружным выступом, полуоси или ось поворота, установленные в плоскости, перпендикулярной оси устройства, уплотнительное кольцо и уплотнительную втулку со сферическими рабочими поверхностями на концах, нижние из которых установлены с возможностью взаимодействия с переходным ниппелем, переходный ниппель установлен в полом корпусе с возможностью поворота, а устройство снабжено верхним переводником, установленным в полом корпусе и связанным с ним посредством полуосей или оси поворота, при этом уплотнительное кольцо установлено на верхний переводник для взаимодействия с торцом полого корпуса, достигается возможность управления положением плоскости вероятного отклонения в пространстве (по отношению к плоскости возможного искривления устройства), ее установки, фиксации и закрепления положения и определяет (задает) положение выходной резьбы переходного ниппеля предлагаемого устройства для направленного бурения, на которую подсоединяется искривленный механизм. Это позволяет совмещать плоскость возможного отклонения предлагаемого устройства для направленного бурения с плоскостью искривления забойных механизмов (например, искривленного винтового забойного двигателя), устанавливаемых ниже предлагаемого устройства. В связи с этим при бурении появляется возможность изменять темпы набора кривизны скважины и обеспечивать более точную проводку наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Кроме того, достигается надежная герметизация подвижного соединения уплотнительной втулки и переходного ниппеля.

Это предотвращает попадание промывочной жидкости, содержащей мелкие абразивные частицы, в узлы трения через подвижное соединение устройства, предотвращает утечки промывочной жидкости в затрубное пространство и способствует повышению срока службы предлагаемого устройства для направленного бурения.

В результате того, что в предлагаемом устройстве для направленного бурения подвижный упор выполнен в виде стопорной гайки, установленной на выполненную на переходном ниппеле дополнительную левую резьбу, достигается возможность при вращении переходного ниппеля в полом корпусе для регулирования направления отклонения останавливать его, стопорить и закреплять в каждом положении в пределах угла поворота от 0 до 360°. Это позволяет точно совместить плоскость искривления подсоединенных забойных механизмов с плоскостью возможного отклонения предлагаемого устройства для направленного бурения и обеспечить повышение точности проводки направленных скважин.

Резьба (преимущественно правая), выполненная на переходном ниппеле для подсоединения к полому корпусу, и дополнительная левая резьба для установки на нее подвижного упора, выполненного в виде стопорной гайки, при затяжке (при креплении) обеспечивают заклинивание двух резьб, точную фиксацию установленного положения и надежное, жесткое крепление устройства для направленного бурения. Это положительно влияет на точность проводки скважин по заданной (расчетной) траектории.

В результате того, что в предлагаемом устройстве для направленного бурения уплотнительное кольцо установлено на верхний переводник с возможностью скольжения по торцу полого корпуса и подпружинено, верхний конец уплотнительной втулки установлен в верхнем переводнике и размещен выше полуосей или оси поворота, а нижний конец уплотнительной втулки установлен в переходном ниппеле и размещен ниже полуосей или оси поворота, достигается герметизация узлов полуосей или оси поворота, предотвращается просачивание промывочной жидкости и проникновение шлама в узлы трения, обеспечивается удержание смазки на трущихся поверхностях на более длительный период.

Это позволяет предотвратить разрушительный гидроабразивный износ деталей, улучшить смазку трущихся поверхностей, снизить коэффициент трения и сократить потери на трение за счет улучшения смазки, обеспечить надежную и более длительную работу предлагаемого устройства для направленного бурения.

Таким образом, реализация отличительных признаков в совокупности с известными в предлагаемом устройстве для направленного бурения создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному устройству для направленного бурения, и обеспечить повышение точности проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин, сохранение устройства на более длительный период в работоспособном состоянии, повышение надежности, долговечности и экономической эффективности предлагаемого устройства для направленного бурения.

Для пояснения сущности предлагаемого изобретения представлены чертежи.

На фиг.1 показан общий вид предлагаемого устройства для направленного бурения, продольный разрез.

На фиг.2 изображен поперечный разрез по А-А на фиг.1.

Устройство для направленного бурения содержит полый корпус 1 с упорным торцом 2, установленный в нем переходный ниппель 3 с подвижным упором 4 для взаимодействия своими торцами 5 с упорным торцом 2 полого корпуса 1 и торцом 6 с выполненным на переходном ниппеле 3 наружным выступом 7, полуоси 8 (или оси) поворота, установленные в плоскости, перпендикулярной оси 9 устройства, уплотнительное кольцо 10 и уплотнительную втулку 11 со сферическими рабочими поверхностями 12 и 13, нижние 13 из которых установлены с возможностью взаимодействия с переходным ниппелем 3. В устройстве для направленного бурения переходный ниппель 3 установлен в полом корпусе 1 с возможностью поворота на резьбе 14, а устройство снабжено верхним переводником 15, установленным в полом корпусе 1 и связанным с ним посредством полуосей 8 (или оси) поворота, при этом уплотнительное кольцо 10 установлено на верхний переводник 15 для взаимодействия с торцом 16 полого корпуса 1.

В предлагаемом устройстве для направленного бурения подвижный упор 4 выполнен в виде стопорной гайки, установленной на выполненную на переходном ниппеле 3 дополнительную левую резьбу 17. Уплотнительное кольцо 10 установлено на верхний переводник 15 с возможностью скольжения по торцу 16 полого корпуса 1 и подпружинено тарельчатыми пружинами 18, верхний конец 19 уплотнительной втулки 11 установлен в верхнем переводнике 15 и размещен выше полуосей 8 (или оси) поворота, а нижний конец 20 уплотнительной втулки 11 установлен в переходном ниппеле 3 и размещен ниже полуосей 8 (или оси) поворота.

В предлагаемом устройстве для направленного бурения верхний переводник 15 может быть связан с полым корпусом 1 посредством одной оси поворота (на чертеже не показано), в которой должно быть выполнено сквозное отверстие, перпендикулярное оси, достаточное для прохода в него уплотнительной втулки 11. Это повысит жесткость оси поворота и всего устройства. Переходный ниппель 3 соединяется с полым корпусом 1 при помощи резьбы 14, которая может быть цилиндрическая, коническая, трапецеидальная, упорная и т.п. Наиболее предпочтительная - малоконусная метрическая резьба, которая широко распространена и используется в буровой технике. Уплотнительное кольцо 10 может быть подпружинено тарельчатыми пружинами 18, цилиндрическими или конусными витыми, разрезными и др. пружинами (на чертеже не показано).

В предлагаемом устройстве для направленного бурения пространство снаружи уплотнительной втулки 11 между концами 19 и 20 со сферическими рабочими поверхностями 12 и 13 и верхним переводником 15, переходным ниппелем 3 и полым корпусом 1 заполняется смазкой с наполнителем графитовым, металлическим, модифицированным и т.п.

Возможны другие конструктивные варианты исполнения предлагаемого устройства для направленного бурения.

Устройство для направленного бурения подсоединяется к бурильным трубам (на чертеже не показаны) верхним переводником 15, а переходным ниппелем 3 подсоединяется к забойным механизмам, например к искривленному винтовому забойному двигателю (на чертеже не показано) и надежно закрепляется.

Работает устройство для направленного бурения следующим образом. Плоскость искривления винтового забойного двигателя, подсоединяемого к устройству для направленного бурения, чаще всего не совпадает с плоскостью возможного отклонения полого корпуса 1 с переходным ниппелем 3 относительно верхнего переводника 15.

Для совмещения этих плоскостей необходимо повернуть подвижный упор 4 на переходном ниппеле 3 и опустить его до упора, до соприкосновения торца 6 подвижного упора 4 с наружным выступом 7 переходного ниппеля 3. Поворачивая переходный ниппель 3 (вместе с подсоединенным к нему искривленным винтовым забойным двигателем) в полом корпусе 1, совместить плоскость искривления винтового забойного двигателя с плоскостью возможного отклонения верхнего переводника 15 в полом корпусе 1 на полуосях 8 (или оси) поворота.

Зазор между упорным торцом 2 полого корпуса 1 и торцом 5 подвижного упора 4 должен быть минимальным. Поворачивая подвижный упор 4 на дополнительной левой резьбе 17 относительно переходного ниппеля 3, поднять его до взаимодействия торца 5 подвижного упора 4 с упорным торцом 2 полого корпуса 1.

Затянуть (закрепить) подвижный упор 4 на дополнительной левой резьбе 17 для предотвращения проворота полого корпуса 1 относительно переходного ниппеля 3 (и относительно искривленного винтового забойного двигателя, подсоединенного к предлагаемому устройству для направленного бурения).

В связи с тем, что дополнительная резьба 17 выполнена левой, а резьба 14 переходного ниппеля 3 выполнена правой при затяжке дополнительной левой резьбы 17, провороту переходного ниппеля 3 в полом корпусе 1 препятствует трение по торцам 2 и 5 и в противоположно направленных резьбах 14 и 17.

Это позволяет исключить возможность изменения взаимного положения совмещенных плоскостей и устранить причины возникновения погрешностей в проводке направленных скважин.

При работе внутри устройства для направленного бурения протекает промывочная жидкость под избыточным давлением. Уплотнительная втулка 11 благодаря сферическим рабочим поверхностям 12 на верхнем конце 19 и 13 на нижнем конце 20 совместно с круглыми резиновыми кольцами герметизирует внутреннюю полость устройства, не пропускает промывочную жидкость, содержащую мелкие абразивные частицы, в узлы трения полуосей 8 (или оси) поворота, тем самым защищает их от интенсивного износа и способствует сохранению на более длительный период в работоспособном состоянии устройства для направленного бурения. Сферические рабочие поверхности 12 и 13 уплотнительной втулки 11 позволяют ей отклоняться на некоторый угол относительно оси 9 устройства, не нарушая герметизации, а размещение сферических рабочих поверхностей 12 - выше и 13 - ниже полуосей 8 (или оси) поворота защищают полуоси 8 (или оси) поворота от попадания в них промывочной жидкости. Уплотнительное кольцо 10, установленное на верхний переводник 15 с возможностью скольжения по торцу 16 полого корпуса 1 и подпружиненное тарельчатыми пружинами 18, позволяет обеспечить герметизацию полуосей 8 (или оси) поворота и предотвращает попадание в зазоры устройства шлама из затрубного пространства, перекрывая радиальные зазоры и плотно прижимаясь под действием тарельчатых пружин 18 к подвижному торцу 16 полого корпуса 1.

При повороте верхнего переводника 15 относительно полого корпуса 1 или при отклонении полого корпуса 1 совместно с переходным ниппелем 3 и подсоединенным к нему забойным механизмом (на чертеже не показан) уплотнительное кольцо 10, прижатое тарельчатыми пружинами 18 к полому корпусу 1, скользит по подвижному торцу 16 полого корпуса 1, а круглые резиновые кольца, установленные в канавках, уплотняют подвижное соединение и препятствуют проникновению шлама внутрь устройства для направленного бурения.

Таким образом, реализация отличительных признаков предлагаемого устройства для направленного бурения в сочетании и в совокупности с известными создает возможность ликвидировать недостатки, присущие известному устройству для направленного бурения, и обеспечить достижение положительного технического результата:

- создание возможности регулирования положения плоскости отклонения устройства для направленного бурения в пространстве;

- снижение возможности просачивания промывочной жидкости, содержащей мелкие абразивные частицы, и предотвращение попадания шлама в опоры;

- снижение коэффициента трения и сокращение потерь на трение в опорах (в полуосях (или оси) поворота);

- предотвращение преждевременного истирания, износа и сохранение на более длительный период в работоспособном состоянии устройства для направленного бурения.

Все это позволяет расширить арсенал технических средств и повысить точность проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин, повысить надежность, долговечность и экономическую эффективность предлагаемого устройства для направленного бурения, то есть позволяет решить поставленные в изобретении задачи.