RU2179226C2

RU2179226C2 - Knuckle joint

Info

Publication number: RU2179226C2
Application number: RU2000106140A
Authority: RU
Inventors: П.М. Григорьев; Д.Г. Яковлев; Т.М. Яковлева; Р.Р. Григорьев; М.Н. Григорьев
Original assignee: Григорьев Петр Михайлович
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2002-02-10

Abstract

FIELD: drilling of oil and gas wells, particularly, means for control of path of drilled wells. SUBSTANCE: essence of the invention consists in that shut-off member of knuckle joint is made in the form of slide valve. Accommodated in knuckle joint body are controlled hydraulic chambers acting on hollow shaft to change direction of drilling. Hollow shaft connected with spindle is capable of deviation from body axis of deflecting tool due to design of bearings. Spindle is made for rotation in bearings or in ball support, and deflecting tool support on well walls is made in the form of lower coupling installed on deflecting tool body and having milled longitudinal splines pointed to top. EFFECT: higher reliability and reduced cost of drilling work. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а конкретно к средствам управления траекторией бурения скважин. Известны забойные устройства для направления стволов бурящихся скважин без спуска приборов в бурильные трубы для ориентирования отклонителей по расчетному азимуту: а. с. СССР N 541012, N 197472, N 142239, N 1657634 и др. Наиболее близкое устройство к предлагаемому описано в а.с. СССР N 1661346 кл. E 21 В 7/08. Это устройство включает корпус, полый вал, гидрокамеры, равномерно расположенные по окружности корпуса, клапанную систему распределения потока жидкости по гидрокамерам, содержащую запорный орган, выполненный с возможностью скольжения по торцам штуцеров, смонтированных во втулке, гидравлические каналы, связывающие каждую гидрокамеру с полостями корпуса, управляющий маятник, подвешенный на тонких стержнях к муфте и связанный с запорным органом, а также опору отклонителя на стенки скважины. Конструкция устройства удовлетворяет требованиям управления траекторией скважины, но ограничивает темпы набора кривизны ствола скважины до 2-2,5^o на 10 м бурения в связи с жесткостью низа бурильной колонны и ограниченным выходом опорных элементов устройства за корпус. Кроме того, как показали испытания устройства по а.с. N 1661346, при резке "окон" в обсадных трубах для бурения вторых стволов через 8-10 ч работы опорные элементы забиваются металлическими опилками и становятся неуправляемыми.The invention relates to the field of drilling oil and gas wells, and specifically to means for controlling the path of drilling wells. Known downhole devices for guiding the shafts of boreholes without lowering the instruments into the drill pipes to orient the deflectors in the estimated azimuth: a. from. USSR N 541012, N 197472, N 142239, N 1657634 and others. The closest device to the proposed described in A.S. USSR N 1661346 class. E 21 B 7/08. This device includes a housing, a hollow shaft, hydraulic chambers uniformly spaced around the circumference of the housing, a valve system for distributing a fluid flow through the hydraulic chambers, comprising a locking member adapted to slide along the ends of the fittings mounted in the sleeve, hydraulic channels connecting each hydraulic chamber to the cavities of the housing, a control pendulum suspended on thin rods from the sleeve and connected to the shutoff body, as well as the support of the diverter on the borehole walls. The design of the device meets the requirements of controlling the well trajectory, but limits the rate of set of curvature of the wellbore to 2-2.5 ^o per 10 m of drilling due to the rigidity of the bottom of the drill string and the limited exit of the supporting elements of the device for the body. In addition, as shown by tests of the device according to A.S. N 1661346, when cutting "windows" in casing for drilling second trunks after 8-10 hours of operation, the supporting elements are clogged with metal filings and become uncontrollable.

Целью изобретения является увеличение надежности и снижение стоимости буровых работ. The aim of the invention is to increase reliability and reduce the cost of drilling.

Для решения указанной задачи в шарнирном отклонителе, включающем корпус, установленный в корпусе полый вал, равномерно расположенные по окружности корпуса гидрокамеры, клапанную систему распределения потока жидкости, содержащую запорный орган, выполненный с возможностью скольжения по торцам штуцеров, смонтированным во втулке, гидравлические каналы, связывающие каждую гидрокамеру с полостями корпуса, и управляющий маятник, подвешенный на тонких стержнях к муфте и связанный с запорным органом, опору отклонителя на стенки скважины, запорный орган выполнен в виде золотника, управляемые гидрокамеры установлены внутри корпуса устройства с возможностью воздействия на полый вал для изменения направления бурения, полый вал соединен со шпинделем шарнирной муфтой и имеет возможность отклонения от оси корпуса отклонителя за счет конструкции подшипников, а шпиндель выполнен с возможностью вращения в самоустанавливающемся и радиально-осевом подшипниках или в шаровой опоре, а опора отклонителя на стенки скважины выполнена в виде установленной на корпусе отклонителя нижней муфты, на которой профрезерованы продольные заостренные к вершине шлицы. To solve this problem, in an articulated deflector, comprising a housing, a hollow shaft mounted in the housing, uniformly spaced around the circumference of the hydrochamber housing, a valve fluid flow distribution system comprising a locking member adapted to slide along the ends of the fittings mounted in the sleeve, hydraulic channels connecting each hydrochamber with body cavities, and a control pendulum suspended on thin rods from the coupling and connected to the shutoff body, supporting the diverter on the borehole walls, The spherical organ is made in the form of a spool, controlled hydrochambers are installed inside the device body with the possibility of acting on the hollow shaft to change the direction of drilling, the hollow shaft is connected to the spindle by a swivel coupling and can deviate from the axis of the deflector housing due to the design of the bearings, and the spindle is rotatable in self-aligning and radial-axial bearings or in a ball bearing, and the diverter bearing on the well walls is made in the form of a lower you, which are milled longitudinal pointed to the top slots.

В предлагаемом изобретении шарнир поворота шпинделя устанавливается в конце корпуса устройства с возможностью перегиба оси шпинделя относительно оси корпуса устройства на значительный угол, что позволит увеличить темпы набора кривизны ствола скважины при бурении, а при прорезании "окон" в обсадных колоннах фрезеровать трубы под большим углом к стенке трубы, что уменьшит вероятность скольжения фрезера с нарезанного уступа при увеличенной нагрузке от веса бурильной колонны. При больших углах перекоса осей возможно фрезерование "окон" без предварительной установки цементных мостов. In the present invention, the spindle rotation hinge is installed at the end of the device casing with the possibility of bending the spindle axis relative to the axis of the device casing by a significant angle, which will increase the rate of set of curvature of the wellbore during drilling, and when cutting through the “windows” in the casing string, pipe milling at a large angle to pipe wall, which will reduce the likelihood of the milling cutter sliding from the cut ledge with an increased load from the weight of the drill string. At large angles of axial misalignment, milling of "windows" is possible without preliminary installation of cement bridges.

Предлагаемое устройство может быть использовано в турбинном и роторном бурении для проводки наклонно направленных, вертикальных и горизонтальных скважин, ориентированного прорезания обсадных колонн и направленного бурения новых стволов в эксплуатационных и аварийных скважинах. The proposed device can be used in turbine and rotary drilling for drilling directional, vertical and horizontal wells, oriented cutting of casing strings and directional drilling of new shafts in production and emergency wells.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез отклонителя, на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1, на фиг. 3-4 положение рабочих органов отклонителя соответственно для увеличения и уменьшения угла наклона ствола скважины, на фиг. 5 схема расположения элементов механизма для изменения азимута направления скважины. The device is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a longitudinal section through a diverter; FIG. 2, section AA in FIG. 1, in FIG. 3-4 the position of the working bodies of the diverter, respectively, to increase and decrease the angle of inclination of the wellbore, in FIG. 5 arrangement of elements of the mechanism for changing the azimuth of the direction of the well

Отклонитель состоит из корпуса 1, в котором расположен полый вал 2, соединенный со шпинделем 3 шарнирной муфтой 4 и через переводник 5 с колонной бурильных труб или с валом забойного двигателя. Шпиндель 3 через переводник 6 соединен с долотом. Полый вал 2 вместе со шпинделем 3 вращаются внутри корпуса 1 на подшипниках 7, 8, 9, 10, 11. На корпусе 1 навинчены муфты верхняя 12 и нижняя 13. На муфте 13 профрезерованы направляющие продольные шлицы 14, армированные твердым сплавом. Шпиндель 3 в муфте 13 вращается на аксиально-радиальном подшипнике 10 и самоустанавливающемся подшипнике 11. Внутреннее кольцо подшипника 10 неподвижно закреплено на шпинделе 3, между его наружным кольцом и внутренней стенкой муфты 13 по радиусу имеется зазор, в результате чего подшипник 10 имеет возможность радиального смещения на величину зазора. The diverter consists of a housing 1, in which a hollow shaft 2 is located, connected to the spindle 3 by a swivel coupling 4 and through an adapter 5 with a drill pipe string or with a downhole motor shaft. Spindle 3 through sub 6 is connected to the chisel. The hollow shaft 2 together with the spindle 3 rotate inside the housing 1 on bearings 7, 8, 9, 10, 11. On the housing 1, the upper 12 and lower 13 couplings are screwed. The longitudinal longitudinal slots 14 reinforced with hard alloy are milled on the coupling 13. The spindle 3 in the coupling 13 rotates on an axial radial bearing 10 and a self-aligning bearing 11. The inner ring of the bearing 10 is fixedly mounted on the spindle 3, there is a radius between the outer ring and the inner wall of the coupling 13, as a result of which the bearing 10 is radially biased by the amount of clearance.

Задняя стенка муфты 13, на которую опирается подшипник 10, имеет сферическую форму, обеспечивающую постоянный контакт с ней наружного кольца подшипника 10 при отклонении шпинделя 3 от оси корпуса 1. Таким образом подшипник 10, принимая аксиальную нагрузку, позволяет шпинделю 3 отклоняться от оси корпуса на некоторую величину с пересечением их осей в диаметральном центре самоустанавливающегося подшипника 11. В зависимости от размеров и конструкции устройства этот угол перегиба можно довести до любых практически необходимых размеров. При больших углах перегиба (до 10^o ), что требуется при прорезании "окна" в обсадной колонне, подшипники шпинделя устанавливаются в шаровую опору 31, фиг.3.The rear wall of the clutch 13, on which the bearing 10 rests, has a spherical shape that provides constant contact with the outer ring of the bearing 10 when the spindle 3 deviates from the axis of the housing 1. Thus, the bearing 10, taking an axial load, allows the spindle 3 to deviate from the axis of the housing by a certain value with the intersection of their axes in the diametrical center of the self-aligning bearing 11. Depending on the size and design of the device, this bend angle can be brought to any practically necessary size. At large bending angles (up to 10 ^o ), which is required when cutting the "window" in the casing, the spindle bearings are installed in the ball bearing 31, Fig.3.

На верхний конец полого вала 2 установлены радиальный шариковый подшипник 7 и аксиальный 8, наружные кольца которых закреплены в муфте 12. Конструкция подшипников и схема их установки допускают возможность перекоса осей полого вала 2 и корпуса 1 в пределах 1^o, с пересечением их осей в центре подшипника 7. К нижней части муфты 12 на резьбе закреплена труба 15, образующая вместе с корпусом 1 кольцевую камеру, в которой работает механизм управления траекторией. На нижнем конце трубы 15 с наружной стороны на резьбе установлена втулка 16, в которой закреплены штуцеры 26. На втулке по наружному диаметру установлено резиновое уплотнение 17. На верхнем конце трубы 15 с внутренней стороны устанавливается резиновый манжет 18, герметизирующий кольцевой зазор между полым валом 2 и внутренними стенками трубы 15. Размеры манжета и его эластичность допускают смещение полого вала 2 относительно оси корпуса 1 на 2-3 мм, не нарушая герметичности.A radial ball bearing 7 and an axial 8 are installed on the upper end of the hollow shaft 2, the outer rings of which are fixed in the coupling 12. The design of the bearings and the arrangement of their bearings allow the axes of the hollow shaft 2 and housing 1 to be skewed within 1 ^o , with the intersection of their axes in the center the bearing 7. To the lower part of the coupling 12, a pipe 15 is fixed on the thread, forming together with the housing 1 an annular chamber in which the path control mechanism operates. On the lower end of the pipe 15, a sleeve 16 is installed on the thread on the outside of the thread, in which fittings 26 are fixed. A rubber seal 17 is installed on the sleeve on the outer diameter 17. A rubber sleeve 18 is installed on the upper end of the pipe 15, sealing the annular gap between the hollow shaft 2 and the inner walls of the pipe 15. The dimensions of the cuff and its elasticity allow a shift of the hollow shaft 2 relative to the axis of the housing 1 by 2-3 mm, without violating the tightness.

В полом валу 2 просверлены отверстия 19, через которые промывочная жидкость поступает в продольные прорези 20 в муфте 12 и в кольцевую камеру механизма управления, который состоит из кольцевого маятника 21, подвешенного на тонких стержнях 22 к муфте 12. Маятник 21 соединен тонкими болтами 23 с кольцевым золотником 24. Болты 23 свободно скользят в сверлениях маятника 21. Пружины 25, одетые на болты 23 между маятником 21 и золотником 24, гасят вибрацию и обеспечивают прижатие золотника к штуцерам 26. Маятник 21, стремясь к зениту при отклонении скважины от вертикали, передвигает к соответствующей стенке золотник 24, лежащий на торцах штуцеров 26. Входные отверстия в штуцерах просверлены со смещением от их осей. Эксцентричность позволяет входные отверстия подводить к внутренней или наружной стенке кольцевой камеры. Промывочная жидкость поступает через штуцеры 26 в трубки 27 и через них в гидрокамеры 28, отклоняющие шпиндель 3 в заданном направлении. Holes 19 are drilled in the hollow shaft 2, through which the flushing fluid enters the longitudinal slots 20 in the sleeve 12 and in the annular chamber of the control mechanism, which consists of an annular pendulum 21 suspended on thin rods 22 to the sleeve 12. The pendulum 21 is connected by thin bolts 23 sec annular spool 24. Bolts 23 slide freely in the drills of pendulum 21. Springs 25, clad on bolts 23 between pendulum 21 and spool 24, dampen vibration and press the spool against the fittings 26. Pendulum 21, tending to the zenith when the well deviates from the vert potassium, moves to the corresponding wall a spool 24 lying on the ends of the fittings 26. The inlets in the fittings are drilled with an offset from their axes. Eccentricity allows the inlet to be led to the inner or outer wall of the annular chamber. The flushing fluid enters through the fittings 26 into the tubes 27 and through them into the hydraulic chambers 28 deflecting the spindle 3 in a given direction.

Из камер жидкость постоянно вытекает через жиклеры 29. Диаметр отверстий жиклеров в 3-4 раза меньше диаметров отверстий штуцеров. За счет разницы в потерях давления в штуцерах и в жиклерах (в 15-20 раз) в гидрокамерах поддерживается давление, обеспечивающее необходимое усилие на полый вал 2 и долота на стенку скважины. В кольцевой камере, образованной корпусом 1 и трубой 15, давление поддерживается за счет потерь давления в насадке 30, ввинченной в торец полого вала 2. Liquid constantly flows from the chambers through the jets 29. The diameter of the nozzle openings is 3-4 times smaller than the diameter of the nozzle openings. Due to the difference in pressure loss in the nozzles and in the nozzles (15-20 times) in the pressure chambers, the pressure is maintained, which provides the necessary force on the hollow shaft 2 and the bits on the borehole wall. In the annular chamber formed by the housing 1 and the pipe 15, the pressure is maintained due to pressure losses in the nozzle 30 screwed into the end of the hollow shaft 2.

Работа отклонителя осуществляется следующим образом. Перед спуском отклонителя в скважину в зависимости от задачи проводится настройка его механизма управления: корпус 1 отвинчивается, приподнимается над втулкой 16. The work of the diverter is as follows. Before the deflector is lowered into the well, depending on the task, its control mechanism is adjusted: the housing 1 is unscrewed and lifted above the sleeve 16.

Для увеличения зенитного угла наклона ствола скважины штуцеры 26 в своих гнездах поворачиваются входными каналами к наружной стенке кольцевой камеры (фиг. 3). Трубки 27 напрямую (по одной оси) соединяются с ниже расположенными гидрокамерами 28. После чего корпус 1 вновь свинчивается с муфтами 12 и 13. To increase the zenith angle of inclination of the wellbore, the fittings 26 in their nests are rotated by the input channels to the outer wall of the annular chamber (Fig. 3). The tubes 27 are directly (on one axis) connected to the lower located chambers 28. After that, the housing 1 is again screwed up with the couplings 12 and 13.

При отклонении оси скважины от вертикали на некоторый угол маятник 21 отклоняется от оси устройства к вертикали и перемещает в этом же направлении золотник 24, который открывает входные отверстия для промывочной жидкости на штуцерах 26 со стороны наклона скважины. Гидрокамеры 28, наполнившись промывочной жидкостью, с усилием за счет перепада давления на жиклерах 29 смещают подшипник 9, низ полого вала 2, муфту 4 и верхний конец шпинделя 3 к стенке корпуса 1. При этом шпиндель 3 поворачивается в диаметральном центре самоустанавливающегося подшипника 11 в плоскости и направлении искривления скважины. При углублении скважины зенитный угол искривления будет увеличиваться. When the axis of the well deviates from the vertical by a certain angle, the pendulum 21 deviates from the axis of the device to the vertical and moves the spool 24 in the same direction, which opens the inlet openings for flushing fluid on the fittings 26 from the side of the well. The hydraulic chambers 28, filled with flushing fluid, force the bearing 9, the bottom of the hollow shaft 2, the coupling 4 and the upper end of the spindle 3 to the wall of the housing 1 due to the pressure drop across the nozzles 29, while the spindle 3 rotates in the plane center of the self-aligning bearing 11 in the plane and the direction of the curvature of the well. As the well deepens, the zenith angle of curvature will increase.

Для уменьшения зенитного угла наклона скважины при настройке штуцеры 26 входными отверстиями поворачиваются к внутренней стенке кольцевой камеры (фиг. 4). Каналы, так же как и в первом случае, соединяются с гидрокамерами, лежащими на одной оси (по одной прямой). Управляющий маятник 21, стремясь занять положение ближе к вертикали, открывает каналы на штуцерах со стороны, противоположной направлению искривления скважины, и гидрокамеры 28, отжимая низ полого вала 2, и верхнюю часть шпинделя 3 к стенке корпуса, расположенной в направлении искривления, и поворачивают конец шпинделя 3 с долотом против направления кривизны скважины. To reduce the zenith angle of inclination of the well during adjustment, the fittings 26 with the inlet openings are turned to the inner wall of the annular chamber (Fig. 4). The channels, as in the first case, are connected to hydraulic chambers lying on the same axis (in one straight line). The control pendulum 21, trying to take a position closer to the vertical, opens the channels on the fittings from the side opposite to the direction of the curvature of the well, and the hydraulic chambers 28, pressing the bottom of the hollow shaft 2, and the upper part of the spindle 3 to the wall of the housing located in the direction of curvature, and rotate the end spindle 3 with a bit against the direction of curvature of the well.

Для изменения азимута направления искривления ствола скважины на определенный угол вправо или влево от фактического направления ствола скважины необходимо при настройке механизма управления направить поток жидкости из штуцеров 26 в гидрокамеры 28 со смещением на расчетный угол. На фиг. 5 показано смещение направления шпинделя от направления наклона скважины вправо на 90^o. Это обеспечивается длиной и формой трубок 27.To change the azimuth of the direction of curvature of the wellbore by a certain angle to the right or left of the actual direction of the wellbore, when setting up the control mechanism, it is necessary to direct the fluid flow from the fittings 26 to the hydraulic chambers 28 with an offset by the calculated angle. In FIG. 5 shows the offset of the spindle direction from the direction of inclination of the well to the right by 90 ^o . This is ensured by the length and shape of the tubes 27.

От проворота в скважине устройство фиксируется продольными шлицами 14 на муфте 13, которые прижимаются к стенке скважины реакцией, вызванной нажатием шпинделя с долотом на противоположную стенку. Одновременно продольная форма шлицов позволяет перемещаться устройству вдоль оси скважины вместе с колонной бурильных труб при соответствующем нажиме. При случайном тангенциальном проскальзывании опорных элементов и корпусов относительно стенок скважины механизм управления переключит гидрокамеры 28 в соответствии с настройкой установки направления шпинделя 3 относительно плоскости наклона ствола скважины. From rotation in the well, the device is fixed by longitudinal slots 14 on the sleeve 13, which are pressed against the wall of the well by a reaction caused by pressing the spindle with a bit on the opposite wall. At the same time, the longitudinal shape of the splines allows the device to move along the axis of the well together with the drill pipe string with appropriate pressure. In case of accidental tangential slippage of the support elements and bodies relative to the well walls, the control mechanism will switch the hydraulic chambers 28 in accordance with the setting for setting the direction of the spindle 3 relative to the plane of inclination of the well bore.

Claims

An articulated deflector, comprising a housing, a hollow shaft mounted in the housing, uniformly spaced around the circumference of the hydraulic chambers, a valve system for distributing a fluid flow, comprising a locking member adapted to slide along the ends of the fittings mounted in the sleeve, hydraulic channels connecting each hydraulic chamber to the housing cavities , and a control pendulum suspended on thin rods from the sleeve and connected with a locking member, supporting the diverter on the well walls, characterized in that the locking member n is made in the form of a spool, controlled hydraulic chambers are installed inside the housing with the possibility of acting on the hollow shaft to change the direction of drilling, the hollow shaft is connected to the spindle by a swivel coupling and has the ability to deviate from the axis of the housing of the deflector due to the design of the bearings, and the spindle is made to rotate in a self-aligning and radial-axial bearings or in a ball bearing, and the diverter bearing on the well walls is made in the form of a lower coupling mounted on the diverter housing, on which the prof zerovany longitudinal pointed to the top slots.