RU2148696C1

RU2148696C1 - Arrangement of bottom part of drilling string for directed drilling of well

Info

Publication number: RU2148696C1
Application number: RU98111036A
Authority: RU
Inventors: М.И. Ворожбитов; О.Ю. Бергштейн; Д.И. Индрупский; Э.И. Росин
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью фирма "Геобур"
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2000-05-10

Abstract

FIELD: bore-hole drilling equipment. SUBSTANCE: invention relates to tools used for drilling inclined-directed bore-hole of well by means of bottom-hole motor. Arrangement of bottom part of drilling string for directed drilling includes drilling bit connected by means of pivoted coupling to shaft of bottom-hole motor. Coupling is located inside adapter which is connected at angle to body of bottom-hole motor. Body of motor is connected with non-magnetic weighted drilling pipe. Located inside drilling pipe are measuring module, microprocessor, and power supply unit. Non-magnetic pipe is suspended from drilling pipes by means of swivel connection. Located in upper part of non-magnetic pipe is disconnector of its couping with drilling pipes with detent. Application of aforesaid arrangement allows for increasing accuracy of installing whipstock within entire circular sector of azimuth direction from 0 to 360 deg directly during drilling process without intervention of operator that is automatically. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к бурению скважины забойным двигателем, а именно к техническим средствам для бурения наклонно-направленной скважины с обеспечением направления ствола скважины без извлечения инструмента на поверхность. The invention relates to drilling a well with a downhole motor, and in particular, to technical means for drilling a directional well with providing direction of the wellbore without removing the tool to the surface.

Известна компоновка низа бурильной колонны для направленного бурения скважины, включающая породоразрушающий инструмент, кривой переводник с расположенной внутри него шарнирной соединительной муфтой, забойный двигатель и над ним измерительный модуль с датчиком угла наклона и азимута ствола скважины, азимутального угла установки отклонителя - кривого переводника и блоком питания, бурильную колонну (1). Known layout of the bottom of the drill string for directional drilling of a well, including a rock cutting tool, a curve sub with a swivel coupling located inside it, a downhole motor and above it a measuring module with a sensor for the angle of inclination and azimuth of the borehole, azimuthal installation angle of the deflector - a curve sub and a power supply , drill string (1).

Выдерживание траектории ствола скважины осуществляется с помощью электромагнитной системы получения скважинной информации в процессе бурения (MWD). Maintaining the trajectory of the wellbore is carried out using an electromagnetic system for obtaining downhole information during drilling (MWD).

Имея на поверхности на табло монитора данные об азимуте скважины, угле наклона ствола, азимутальном угле установки плоскости симметрии кривого переводника в скважине на данный момент, бурильщик может ориентировать компоновку в нужном направлении и получить информацию с забоя. Having on the surface on the monitor board data on the azimuth of the well, the angle of inclination of the well, the azimuthal angle of installation of the plane of symmetry of the sub curve in the well at the moment, the driller can orient the layout in the right direction and get information from the bottom.

Недостатком указанного устройства является неустойчивость процесса ориентирования ввиду непредсказуемого закручивания колонны (из-за сил трения между колонной и стенкой скважины) - круговое перемещение нижнего конца практически никогда не бывает адекватно повороту колонны, произведенному на поверхности. The disadvantage of this device is the instability of the orientation process due to the unpredictable twisting of the column (due to friction between the column and the wall of the well) - the circular movement of the lower end is almost never adequate to the rotation of the column made on the surface.

Кроме того, в процессе бурения скважины происходит закручивание бурильной колонны под действием реактивного момента забойного двигателя, что влияет на текущую токсичность установки отклонителя. In addition, during the drilling of the well, the drill string is twisted under the influence of the reactive moment of the downhole motor, which affects the current toxicity of the diverter installation.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является компоновка низа бурильной колонны для направленного бурения скважины, включающая долото, отклонитель с забойным двигателем, бурильные трубы и установленный между отклонителем и забойным двигателем прерыватель их связи в виде зубчатого конца на корпусе двигателя и фиксатора отклонителя с возможностью взаимодействия с венцом в рабочем положении (2). The closest in technical essence and the achieved result is the layout of the bottom of the drill string for directional drilling of the well, including a bit, a diverter with a downhole motor, drill pipes and a breaker installed between the diverter and the downhole motor in the form of a gear end on the motor housing and the diverter retainer with the possibility interaction with the crown in the working position (2).

Указанная компоновка позволяет исключить влияние реактивного момента забойного двигателя на точность установки отклонителя во время бурения. The specified arrangement allows to exclude the influence of the reactive moment of the downhole motor on the accuracy of installation of the diverter during drilling.

Недостатком компоновки является недостаточная надежность работы и невозможность изменения азимутального направления ствола скважины непосредственно в процессе бурения. The disadvantage of the layout is the lack of reliability and the inability to change the azimuthal direction of the wellbore directly during drilling.

Задачей изобретения является точность установки отклонителя во всем круговом секторе азимутального направления от 0 до 360^o непосредственно во время бурения без вмешательства оператора.The objective of the invention is the accuracy of the installation of the diverter in the entire circular sector of the azimuthal direction from 0 to 360 ^o directly during drilling without operator intervention.

Указанная задача решается тем, что в компоновке низа бурильной колонны для направленного бурения скважины, включающей долото, отклонитель с забойным двигателем, бурильные трубы и установленный между отклонителем и двигателем прерыватель их связи в виде зубчатого венца на корпусе забойного двигателя и фиксатора отклонителя с возможностью взаимодействия с венцом в рабочем положении, между бурильными трубами и забойным двигателем установлена немагнитная труба с размещенными внутри нее измерительным модулем, микропроцессором и блоком питания, в верхней части немагнитной трубы расположен прерыватель ее связи с бурильными трубами в виде жестко связанного с ними двухрядного зубчатого венца, причем один ряд развернут относительно другого на величину половины шага зубьев, а фиксатор отклонителя представлен втулкой, жестко связанной с немагнитной трубой, со сквозными последовательно расположенными в диаметральной плоскости пазами, в которых размещены с возможностью радиального перемещения пластины, шарнирно связанные между собой центральным толкателем с концевыми проточками, запираемым при крайних положениях пластин замком с электромагнитом, связанным с измерительным модулем и микропроцессором, при этом замок выполнен в виде шаров, размещенных во втулке и взаимодействующих с концевыми проточками толкателя в его крайних положениях и фиксируемыми подпружиненным протектором. This problem is solved by the fact that in the layout of the bottom of the drill string for directional drilling of a well, including a bit, a diverter with a downhole motor, drill pipes and a breaker installed between the diverter and the motor in the form of a ring gear on the body of the downhole motor and the diverter retainer with the possibility of interaction with a crown in the working position, between the drill pipe and the downhole motor a non-magnetic pipe is installed with a measuring module located inside it, a microprocessor and a In the upper part of the non-magnetic pipe, there is a breaker for its connection with the drill pipes in the form of a double-row gear ring, rigidly connected to them, one row deployed relative to the other by half the tooth pitch, and the deflector retainer is represented by a sleeve rigidly connected to the non-magnetic pipe, with through grooves sequentially arranged in the diametrical plane, in which the plates are placed with the possibility of radial movement, pivotally connected to each other by a central pusher with end protrusions glasses locked at the extreme positions of the plates by a lock with an electromagnet connected to the measuring module and the microprocessor, while the lock is made in the form of balls placed in the sleeve and interacting with the end grooves of the pusher in its extreme positions and fixed by a spring-loaded tread.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря размещенным в немагнитной трубе измерительному модулю, микропроцессору и блоку питания обеспечивается замер фактических пространственных данных траектории ствола скважины, сравнение их с проектными и выдача сигнала для срабатывания прерывателя в случае расхождения фактических и проектных данных без участия оператора. The essence of the invention lies in the fact that thanks to the measuring module located in the non-magnetic pipe, the microprocessor and the power supply unit, the actual spatial data of the wellbore trajectory are measured, compared with the design data, and a signal is generated to trigger the interrupter in case of discrepancy between the actual and design data without operator intervention.

Расположение прерывателя связи между немагнитной трубой и бурильными трубами позволяет использовать реактивный момент забойного двигателя как исполнительный механизм для кругового перемещения отклонителя, а выполнение прерывателя в виде жестко связанного с бурильными трубами двухрядного зубчатого венца, причем один ряд развернут относительно другого на величину половины шага зубьев, и фиксатора в виде жестко связанной с немагнитной трубой втулки со сквозными последовательно расположенными в диаметральной плоскости продольными пазами, в которых размещены с возможностью радиального перемещения пластины, шарнирно связанные между собой центральным толкателем, запираемым при крайних положениях замком, обеспечивает шаговый (дискретный) характер кругового перемещения отклонителя, что повышает точность установки отклонителя. The location of the communication breaker between the non-magnetic pipe and the drill pipe allows you to use the reactive moment of the downhole motor as an actuator for circular movement of the deflector, and the implementation of the breaker in the form of a rigidly connected to the drill pipe double-row gear ring, one row deployed relative to the other by half the pitch of the teeth, and a retainer in the form of a sleeve rigidly connected to a non-magnetic pipe with longitudinal longitudinal through-holes arranged in a diametrical plane Zami, which has a radially displaceable plate pivotally interconnected central pusher lockable extreme positions when the lock provides stepper (discrete) the nature of the circular movement of the whipstock, which increases the accuracy whipstock.

Наличие замка с электромагнитом, связанным с измерительным модулем и микропроцессором, выполненного в виде шаров, размещенных во втулке и взаимодействующих с концевыми проточками толкателей в его крайних положениях и фиксируемыми подпружиненным протектором, позволяет при ликвидации расхождения между фактическим замером азимутального направления ствола скважины и заложенным в память микропроцессора проектным азимутом осуществить посредством включения и выключения шаговый характер поворота и обеспечить жесткую связь между бурильной колонной и отклонителем после совпадения фактического и проектного замера. The presence of a lock with an electromagnet associated with the measuring module and the microprocessor, made in the form of balls placed in the sleeve and interacting with the end grooves of the pushers in its extreme positions and a fixed spring-loaded tread, allows to eliminate the discrepancy between the actual measurement of the azimuthal direction of the wellbore and stored in memory microprocessor design azimuth to implement by turning on and off the stepping nature of the rotation and provide a rigid connection between the drilling column and diverter after the coincidence of the actual and design measurements.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими изображениями. The invention is illustrated by graphic images.

На фиг. 1 представлен продольный разрез компоновки низа бурильной колонны для направленного бурения скважины, на фиг. 2 - выносной элемент "А" фиг. 1, на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 2, на фиг. 4 - сечение В-В фиг. 2, на фиг. 5 - сечение Г-Г фиг. 2. In FIG. 1 shows a longitudinal section through the layout of the bottom of the drill string for directional drilling of a well, FIG. 2 - remote element "A" of FIG. 1, in FIG. 3 is a section BB of FIG. 2, in FIG. 4 is a section BB of FIG. 2, in FIG. 5 is a section G-D of FIG. 2.

Компоновка низа бурильной колонны (КНБК) для направленного бурения скважины (фиг. 1) состоит из долота 1, соединенного посредством шарнирной соединительной муфты 2 с валом 3 забойного двигателя. The layout of the bottom of the drill string (BHA) for directional drilling of the well (Fig. 1) consists of a bit 1 connected by an articulated coupling 2 to the shaft 3 of the downhole motor.

Муфта расположена внутри переводника-стабилизатора 4, соединенного под углом с корпусом 5 забойного двигателя. Долото, переводник и забойный двигатель образует отклонитель. Корпус 5 забойного двигателя соединен с немагнитной утяжеленной бурильной трубой 6, внутри которой размещены измерительный модуль 7, микропроцессор 8, блок питания 9. Немагнитная труба с помощью вертлюжного соединения 10 подвешена на бурильной колонне. В верхней части немагнитной трубы расположен прерыватель 11 ее связи с бурильными трубами 12. The clutch is located inside the stabilizer sub 4, which is connected at an angle with the casing 5 of the downhole motor. The chisel, sub and downhole motor form a diverter. The downhole motor housing 5 is connected to a non-magnetic weighted drill pipe 6, inside of which there is a measuring module 7, microprocessor 8, power supply 9. The non-magnetic pipe is suspended from the drill string using a swivel joint 10. In the upper part of the non-magnetic pipe is a breaker 11 of its connection with the drill pipe 12.

Прерыватель связи (фиг. 2) состоит из жестко связанного с бурильными трубами двухрядного зубчатого венца 13, причем один ряд развернут относительно другого на величину половины шага зубьев (фиг. 4 и фиг. 5). С зубчатым венцом соединена с возможностью вращения на шарах 14 немагнитная труба 6, верхняя часть которой - фиксатор - представлена втулкой 15 со сквозными последовательно расположенными в диаметральной плоскости пазами 16, в которых размещены с возможностью радиального перемещения пластины 17 с профильными выступами, соответствующими профилю зубьев венца 13. Пластины с помощью шарнирных рычагов 18 связаны с центральным толкателем 19. В нижней части толкателя выполнены кольцевые проточки 20, а нижняя часть втулки 15 образует обойму 21, в отверстиях 22 которой размещены шары 23, взаимодействующие с проточками 20. На наружную поверхность обоймы смонтирован протектор 24 с выемкой 25. Протектор связан с электромагнитом 26 и опирается на пружину 27. Электромагнит жестко связан с немагнитной трубой штифтом 28. Вертлюжное соединение 10 загерметизировано уплотнением 29. Взаимное угловое положение между бурильной колонной и отклонителем определяется с помощью сенсора - линейного потенциометра 30, контактирующего с торцом 31 корпуса венца 13. Циркуляция промывочной жидкости осуществляется через отверстия 32 втулки 15. The communication breaker (Fig. 2) consists of a double-row gear rim 13 rigidly connected to the drill pipes, one row being deployed relative to the other by half the pitch of the teeth (Fig. 4 and Fig. 5). A non-magnetic pipe 6 is connected to the ring gear with the possibility of rotation on the balls 14, the upper part of which is a retainer - is represented by a sleeve 15 with grooves 16 through the consecutively located in the diametrical plane, in which the plates 17 are arranged with the possibility of radial movement with profile protrusions corresponding to the profile of the teeth of the crown 13. The plates with the help of articulated levers 18 are connected with the central pusher 19. In the lower part of the pusher, annular grooves 20 are made, and the lower part of the sleeve 15 forms a cage 21, in the hole yachts 22 of which balls 23 are located, interacting with the grooves 20. A protector 24 with a recess 25 is mounted on the outer surface of the cage. The protector is connected to the electromagnet 26 and rests on the spring 27. The electromagnet is rigidly connected to the non-magnetic pipe with a pin 28. The swivel joint 10 is sealed with a seal 29. The mutual angular position between the drill string and the diverter is determined using a sensor — a linear potentiometer 30 in contact with the end face 31 of the crown body 13. The flushing fluid is circulated through an outlet TIFA 32 of the sleeve 15.

Возможны два режима работы компоновки:
- бурение в направлении плоскости симметрии отклонителя при соответствующей его установке и жесткой его связи с бурильной колонной - для коррекции направления ствола согласно проектной траектории. Долото вращается забойным двигателем, 2 стабилизатора и долото служат тангенциальными точками, определяющими траекторию (радиус скважины) ориентированной КНБК;
- бурение прямых участков, не выходящих из проектной траектории ствола - при отсутствии жесткой связи КНБК с бурильной колонной, когда долото вращается забойным двигателем с одновременным вращением КНБК под действием реактивного момента.Two layout modes are possible:
- drilling in the direction of the plane of symmetry of the diverter with its appropriate installation and its rigid connection with the drill string - to correct the direction of the barrel according to the design trajectory. The bit is rotated by a downhole motor, 2 stabilizers and a bit serve as tangential points that determine the trajectory (radius of the well) of the oriented BHA;
- drilling of straight sections that do not leave the projected trajectory of the barrel — in the absence of a rigid connection between the BHA and the drill string, when the bit is rotated by a downhole motor with simultaneous rotation of the BHA under the influence of the reactive moment.

При бурении направленных участков траектории ствола скважины (со стабилизированным зенитным углом наклона и азимутом) электромагнит 26 выключен (обесточен). В этом положении протектор 24 под действием пружины 27 поднят и своей внутренней цилиндрической поверхностью загоняет шары 23, размещенные в обойме 22, в кольцевую проточку 20 центрального толкателя 19, шарнирно связанного рычагами 18 с пластинами 17. Положение кольцевой проточки 20 на толкателе рассчитано таким образом, что оно соответствует полному зацеплению с зубчатым венцом 13 одной пары пластин 17 (фиг. 4) и выходу из зацепления другой пары пластин (фиг. 5). When drilling directed sections of the wellbore trajectory (with a stabilized zenith angle and azimuth), the electromagnet 26 is turned off (de-energized). In this position, the tread 24 is raised by the action of the spring 27 and pushes the balls 23 located in the cage 22 into the annular groove 20 of the central pusher 19, pivotally connected by the levers 18 with the plates 17. With its inner cylindrical surface, the position of the annular groove 20 on the pusher is calculated in such a way that it corresponds to complete engagement with the ring gear 13 of one pair of plates 17 (Fig. 4) and the disengagement of another pair of plates (Fig. 5).

Благодаря зацеплению одной пары пластин 17, размещенных в пазу 16 втулки 15, являющейся верхней частью немагнитной трубы 6, с зубчатым венцом 13, жестко связанным с бурильными трубами 12, осуществляется жесткая связь КНБК с бурильной колонной. Due to the engagement of one pair of plates 17 located in the groove 16 of the sleeve 15, which is the upper part of the non-magnetic pipe 6, with a gear ring 13, rigidly connected with the drill pipes 12, the BHA is tightly coupled to the drill string.

Во время бурения в микропроцессор 8 постоянно поступают с измерительного модуля 7 данные фактического азимутального (углового) положения плоскости симметрии отклонителя. С поверхности в микропроцессор посылается закодированный сигнал, несущий информацию глубины скважины, который вызывает из памяти данные для глубины проектного азимутального направления бурения ствола скважины. В случае несовпадения направления действия отклонителя с заданным азимутом процессор выдает сигнал на включение электромагнита 26, который, преодолевая сопротивление пружины 27, втягивает протектор 24 до расположения выемки 25 над шарами 23. В этом положении шары не препятствуют продольному перемещению толкателя 19, которое произойдет за счет выдавливания выступов пластин 17 из впадин зубьев венца 13. За счет постоянно действующего реактивного момента двигателя по мере выхода из зацепления одной пары пластин, другая пара пластин входит в зацепление с венцом 13. Включая и выключая электромагнит, можно осуществлять поворот КНБК (под действием реактивного момента двигателя) в шаговом режиме с различными величинами углового перемещения, в зависимости от временных интервалов подачи импульсов включения - выключения. During drilling, the actual azimuthal (angular) position of the deflector symmetry plane is constantly received from the measuring module 7 from the measuring module 7 into the microprocessor 8. An encoded signal is sent from the surface to the microprocessor that carries information about the depth of the well, which recalls data for the depth of the projected azimuthal direction of drilling the wellbore. In the case of divergence of the direction of action of the diverter with the given azimuth, the processor gives a signal to turn on the electromagnet 26, which, overcoming the resistance of the spring 27, retracts the tread 24 until the recess 25 is located above the balls 23. In this position, the balls do not interfere with the longitudinal movement of the pusher 19, which will occur due to extruding the protrusions of the plates 17 from the cavities of the teeth of the crown 13. Due to the constantly reactive moment of the engine as one pair of plates out of engagement, another pair of plates enters the bore Leniye with the crown 13. The enable and disable the electromagnet can be effected BHA rotate (under the action of a jet engine torque) in step mode with different values of angular displacement, as a function of time supply switching pulse intervals - off.

Принудительное совмещение направления действия отклонителя с заданным азимутом будет достигнутом последовательными шаговыми поворотами КНБК под действием реактивного момента забойного двигателя за счет дискретного прерывания и восстановления жесткой связи между КНБК и бурильной колонной с помощью прерывателя 11. После совмещения направления действия отклонителя и требуемого (проектного) азимута скважины жесткую связь отклонителя с бурильными трубами сохраняют восстановленной путем отключения электромагнита 26, обеспечивая тем самым углубление ствола в требуемом (заданном) азимутальном направлении. Forced combination of the direction of action of the diverter with the given azimuth will be achieved by successive stepwise rotation of the BHA under the action of the reactive moment of the downhole motor due to discrete interruption and restoration of the rigid connection between the BHA and the drill string using the chopper 11. After combining the direction of action of the diverter and the desired (design) azimuth of the well the rigid connection of the diverter with the drill pipes is kept restored by disconnecting the electromagnet 26, thereby ensuring th recess of the barrel in the desired (predetermined) the azimuthal direction.

При возможном рассогласовании азимутальных направлений в ходе дальнейшего бурения принудительное их совмещение повторяется в описанной последовательности в автоматическом режиме при подаче сигнала с поверхности о текущей глубине скважины, например, через каждые 0,5 м. If there is a possible mismatch of the azimuthal directions during further drilling, their forced combination is repeated in the described sequence in the automatic mode when a signal is sent from the surface about the current depth of the well, for example, every 0.5 m.

В режиме постоянного включения электромагнита жесткая связь КНБК с бурильной колонной отсутствует. В этом случае осуществляется бурение с повышенной эффективностью стабилизированного по направлению прямых участков ствола скважины долотом, вращаемым забойным двигателем с одновременным вращением КНБК под действием реактивного момента. In the constant-on mode of the electromagnet, there is no rigid connection between the BHA and the drill string. In this case, drilling is carried out with increased efficiency of the well stabilized in the direction of straight sections of the wellbore with a bit rotated by a downhole motor with simultaneous rotation of the BHA under the influence of a reactive moment.

Предложенная компоновка низа бурильной колонны для направленного бурения скважины позволит повысить точность проводки, сократить сроки бурения направленных скважин, улучшить качество ствола скважины и увеличить показатели нефтеотбора при эксплуатации скважины. The proposed layout of the bottom of the drill string for directional well drilling will increase the accuracy of the wiring, reduce the timing of drilling directed wells, improve the quality of the wellbore and increase oil recovery during well operation.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Композит-каталог США за 1992 - 1993 г.г., том. I, с. 1109 - 1114.Sources of information taken into account when preparing the application
1. Composite catalog of the United States for 1992 - 1993, vol. I, p. 1109 - 1114.

2. Авторское свидетельство СССР N 1606672, МКИ E 21 B 7/08, 1988. 2. USSR author's certificate N 1606672, MKI E 21 B 7/08, 1988.

Claims

1. The layout of the bottom of the drill string for directional drilling of the well, including a bit, a diverter with a downhole motor, drill pipes and a breaker installed between the diverter and the motor in the form of a gear ring on the body of the downhole motor and the retainer retainer with the possibility of interaction with the crown in the working position of the diverter characterized in that a non-magnetic pipe is installed between the drill pipes and the downhole motor with a measuring module, a microprocessor and a block In the upper part of the non-magnetic pipe, there is a breaker for its connection with the drill pipes in the form of a rigid double-row gear ring connected to them, one row deployed relative to the other by half the tooth pitch, and the deflector retainer is represented by a sleeve rigidly connected to the non-magnetic pipe, with through grooves sequentially located in the diametrical plane, in which the plates are placed with the possibility of radial movement, pivotally connected to each other by a central pusher with end ends points lockable extreme positions when the lock plate with an electromagnet connected to a measuring module and a microprocessor.

2. The arrangement according to claim 1, characterized in that the lock is made in the form of balls placed in the sleeve and interacting with the grooves on the pusher in its extreme positions and fixed by a spring-loaded tread.