Відхиляючий пристрій

Корисна модель відноситься до гірничої справи, зокрема, до пристроїв для просторового відхилення геологорозвідувальних свердловин, які буряться снарядом зі знімним керноприймальником і звичайними колонковими снарядами. Відомі відхилювачі для відхилення свердловин, що включають спрямований шток у вигляді сердечника і шарнір [а. св. СРСР №128402 клас 5а, 17, БИ №10, 1960]. Основним недоліком цих пристроїв є неможливість просторового корегування трас свердловин, т. я. снаряди орієнтуються по принципу виска і за їх допомогою можна виконати тільки операції по зменшенню зенітного кута. Крім того, в розглянутих конструкціях ненадійно фіксується спрямований шток, і складна технологія відхилення. Більш досконалим по конструкції є пристрій, який розроблено у США і включає спрямований шток, спеціальний породоруйнівний інструмент і фіксуючий пристрій [А.Г. Калинин "Искривление буровых скважин» Гостонтехиздат, М., 1963г., с.260-261]. Основним недоліком цього пристрою є ненадійність закріплення спрямованого штока, отже і роботи відхилювача, так як можливий проворот спрямованого штока навколо "пенька" керна і, відповідно, дезорієнтація напрямку відхилювана. Крім того, цей пристрій потребує використання спеціального породоруйнівного інструменту і робить принципово неможливим його застосування при бурінні колонковими трубами. Найбільш близьким по технічному рішенню є відхиляючий пристрій, який призначений для управління трасами свердловин зі знімними керноприймальниками. [а. с. СРСР №1286723, кл. Е 21 В 7/08, 1987], який також включає спрямовуючий шток з клиноподібним закріплюючим хвостовиком і орієнтатор у вигляді незбалансованої маси, яка з'єднана зі штоком через шарнірно-клиновий механізм, що забезпечує орієнтоване відхилення штоку під дією незбалансованої маси. Ця система доставляється в порожнину труб снаряду зі знімним керноприймальником, який попередньо виймається з труб. До недоліків цього пристрою також слід віднести ненадійність закріплення спрямованого штока між стінкою свердловини і "пеньком" керну, що може привести до дезорієнтації відхилювача. Крім того, шарнірно-клиновий механізм в пропонованому пристрої, призначений для орієнтованого відхиляння направляючого штоку від осі свердловини, складний і нестабільний в роботі, так як величина зусилля, яке відхилює шток залежить від осьової складової ваги вище розташованого дебалансного орієнтатора, то надійність відхилення штока буде залежати від зенітного кута свердловини, стану ствола свердловини, щільності промивальної рідини та ін. Крім того, пристрій, який розглядається може бути використано тільки для снарядів зі знімними керноприймальниками і в принципі неприйнятний для відхилення свердловин при бурінні звичайними одинарними колонковими трубами. Метою корисної моделі є підвищення надійності і ефективності роботи відхиляючого пристрою з відбором керну в різних по складу і твердості породах. Поставлена мета досягається тим, що у відхиляючому пристрої, який включає снаряд зі знімним керноприймальником або у звичайному колонковому снаряді, орієнтатор у вигляді ексцентричнo зміщеної маси, шарнір і спрямований шток з хвостовиком, останній закріплений на нижньому кінці штока за допомогою шарніра з одним ступенем вільності і має можливість обмеженого повороту навколо осі шарніра при взаємодії вільного кінця хвостовика з забоєм свердловини в площині відхилення свердловини, причому, хвостовик виконано з матеріалу, що легко розбурюється, з включенням пружного елементу, наприклад, резини, а довжина його повинна бути не менш довжини діаметра свердловини; вільний кінець хвостовика зміщено відносно повздовжньої осі в сторону можливого повороту хвостовика. У звичайній одинарній колонковій трубі орієнтатор і спрямований шток закріплено за допомогою гнучкого зв'язку і пружини з можливістю обмеженого повздовжнього зміщення по осі снаряда. Підвищення надійності роботи відхиляючого пристрою досягається за рахунок способу фіксації і орієнтованого відхилення спрямованого штоку: при постановці снаряду на забій хвостовик взаємодіючи з ним розклинюється в поперечному напрямку по діаметру свердловини і жорстко фіксує спрямований шток. Так як хвостовик одним кінцем шарнірно з'єднаний з вільним кінцем штока, то в процесі розклину в свердловині він одночасно відхиляє спрямований шток в потрібному напрямку, тобто в пропонованому пристрої синхронно сполучається процес фіксації і відхилення спрямованого штоку в потрібному напрямку без додаткового використання для цих цілей спеціальних пристосувань, що спрощує конструкцію в цілому і підвищує надійність відхилення. В подальшому, в процесі поглиблення свердловини в новому напрямку, частина хвостовика легко розбурюється коронкою, чим визволяється пристрій від фіксації. Розглянутий принцип відхилення може бути реалізований також при бурінні звичайними одинарними колонковими трубами, для чого спрямований шток, який з'єднаний з орієнтуючою ексцентричнo зміщеною масою, закріплюється в порожнині колонкової труби на гнучкому зв'язку, за рахунок включення в склад зв'язку пружини, мають можливість повздовжнього люфту, що підвищує точність орієнтування системи з дебалансними орієнтаторами. Пропонований пристрій схематично ілюструється в додатку до заявки, де на Фіг.1 представлено вихідне положення відхиляючого пристрою для бурового інструменту зі знімним керноприймальником, на Фіг.2 - вид А кріплення хвостовика до штоку; на Фіг.3 - повздовжній розріз Б-Б на Фіг.2; на Фіг.4 - вид відхиляючого пристрою в процесі забурки нового напрямку; на Фіг.5 - розріз по В-В на Фіг.4; на Фіг.6 - вид відхиляючого пристрою для звичайних одинарних колонкових труб (у вихідному положенні); на Фіг.7 - вид відхиляючого пристрою в робочому стані. Пристрій виконано таким чином. В порожнину колонкової труби 1 снаряда зі знімним керноприймальником розміщується спрямований шток 2, з хвостовиком 3, шарнірно закріпленим на штоку на осі 4 (Фіг.1). Шток 2 також на шарнірі 5 з одним ступенем вільності з'єднаний за допомогою різьби і контргайки 6 з орієнтатором 7, який виконано у вигляді незбалансованої маси, причому орієнтатор розташовується на центраторах 8, що служать для керноприймальної труби, попередньо вийнятої із снаряду. Спуск і підйом системи орієнтатор-відхиляючий шток проводиться за допомогою овершота (не показано), призначеного для спускупідйому керноприймальної труби, для чого на орієнтаторі розміщується захватна головка 9. Колонковий снаряд 1 вміщує алмазну коронку 10, яка використовується при звичайному бурінні, і розширювач 11. В вихідному стані відхиляючий шток розташовано нижче коронки 10, а вся система спирається на матрицю коронки 10 через еластичну опорну шайбу 12. Хвостовик 3 кріпиться на нижньому кінці спрямованого штоку за допомогою горизонтальної осі 4 (Фіг.2). При цьому нижній кінець штоку загострено і виконано у вигляді вилки (Фіг.3, Б-Б), куди поміщають державку 13 хвостовика 3, яка виконана з матеріалу, що легко розбурюється (пластик, дерево, м'який метал та ін.). Державка 12 має пружний елемент 14, наприклад, резину. На штоку також розташований обмежувач 15 (Фіг.2), що забезпечує поворот хвостовика в одну сторону. На Фіг.6 представлено відхиляючий пристрій, призначений для корегування трас свердловин при бурінні звичайним одинарним колонковим снарядом. Снаряд складається з колонкової труби, розширювача 2 і коронки 3. Через перехід 4 колонкова труба з'єднується з бурильною колоною 5. В порожнині колонкової труби розміщується система орієнтатор-відхиляючий шток з хвостовиком по конструкції аналогічній вище приведеній. Ця система на гнучкому тросі 6 кріпиться до переходу 4 через підшипник ковзання 7, який обертається відносно переходу. В систему кріплення входить також пружина 8, яка забезпечує повздовжній люфт системи відхилення відносно колонкової труби. Дебалансний орієнтатор 9 поміщається на спеціальних центруючих опорах 10, закріплених в колонковій трубі 1. Дебалансний орієнтатор 9 за допомогою різьби і контргайки 11 через шарнір 12 кріпиться до направляючого штоку 13 з хвостовиком 14, аналогічними по конструкції з вищеописаним відхиляючим пристроєм для снаряду зі знімним керноприймальником. Зверху на орієнтаторі 9 розташований опорний фланець 15, а в колонкову трубу вгвинчено обмежувальний штифт 16. Відхиляючий пристрій для зміни напрямку свердловини при бурінні снарядами зі знімним керноприймальником працює таким чином (Фіг.1-4). Перед початком забурки нахильного стволу свердловини з колонкової труби 1 виймають керноприймальник (не показано) і опускають в неї, відомим для снарядів зі знімним керноприймальником способом, систему орієнтатор дебалансний 7 - шток спрямований 2. Попередньо цю систему орієнтують на поверхні, для чого, послабив контргайку 6, повертають на різьбі шток спрямований 2 відносно дебалансного орієнтатора 7 на кут установки відхилювача і закріплюють його контргайкою. Кут установки відхилювача визначається радіальним кутом, який утворюється площиною, що проходить через ось симетрії орієнтатора 7 в сторону ексцентричного зміщення маси ( в нахильній свердловині), і площиною потрібного відхилення повороту хвостовика 3 на осі 4 (Фіг.1). Перед спуском відхиляючої системи в порожнину труб 1, останні припіднімають над забоєм свердловини на величину, перевищуючу довжину спрямованого штока 2, в процесі спуску відхиляючої системи на тросі в порожнину труб спрямований шток самоорієнтується, підкоряючись здвигаючому моменту, що виникає під дією ексцентрично зміщеної маси орієнтатора 7, намагаючись зайняти нижнє положення в апсидальній площині нахильної свердловини і повертаючи площину обертання хвостовика 3 на раніш визначений кут установки. Після того, як система орієнтатор 7 - відхиляючий шток 2 буде встановлено на опорну шайбу 12, колонковий відхиляючий пристрій займе вихідне положення (Фіг.1). Потім колону бурильних труб плавно опускають до упора хвостовика 3 в забій свердловини. Взаємодіючи з забоєм свердловини під дією ваги орієнтатора 7 і штока 2, хвостовик 3 повертається на осі 4, займаючи положення перпендикулярно осі свердловини. В процесі повороту хвостовика 3 і заняття їм поперечного положення відносно осі свердловини спрямований шток 2 відхиляється, завдяки наявності шарніра 5, відносно осі свердловини на кут a в сторону протилежну напрямку повороту хвостовика 2, і притискається своїм нижнім кінцем до стінки свердловини в напрямку заданого відхилення свердловини. Завдяки пружній деформації елемента 14 хвостовика, останній жорстко розклинюється по діаметру у свердловині, при цьому спрямований шток 2 у відхиленому положенні своїм гострим кінцем упирається в забій свердловини (Фіг.4, 5). Таким чином, відхиляюча система надійно закріплюється в стволі свердловини, одночасно задаючи орієнтований перекіс спрямованому штоку 2. Нижній кінець 14 хвостовика (Фіг.2) виконаний сферичним і зміщений відносно осі спрямованого штоку 2, а в площині повороту хвостовика 3 і штока 2 встановлені односторонні обмежувачі 15 (Фіг.2) і 16 (Фіг.4), що забезпечує надійне спрацьовування пристрою практично при будь-якому стані стволу і забою свердловини. Після фіксації відхиляючого пристрою з невеликим навантаженням включається обертання бурового снаряду. При цьому коронка 10 і розширювач 11 переміщуючись вздовж спрямованого штоку будуть руйнувати стінку свердловини в напрямку перекосу штока 2. Доходячи до розклиненого хвостовика 14 (Фіг.4, Фіг.5) коронка 10 розбурює його, вивільняючи пристрій від фіксації. Заглибившись після цього на 5-10см, орієнтатор з направляючим штоком виймаються на поверхню, а замість їх в колону опускається керноприймальна труба і буріння продовжується в заданому напрямку. В процесі підйому відхиляючого пристрою і спуска керноприймальної труби колонковий снаряд 1 (Фіг.4) утримується в заданому положенні завдяки наявності "пенька" керна 17, що утворюється невеликим заглибленням свердловини після розбурки хвостовика 13. При необхідності збільшення набору кривизни операція по застосуванню відхиляючого пристрою повторюється. Частина хвостовика 13, яка залишилася в свердловині (Фіг.4, 5), як і уступ, створений при зарізці нового напрямку, легко знищується в процесі подальшого буріння, для чого достатньо пообертати в інтервалі створеного уступу розширювач 11 (Фіг.4). Відхиляючий пристрій при роботі зі звичайним (одинарними) колонковим снарядом працює в принципі аналогічно вищеописаному, проте, підготовка снаряду і його установка на забій відрізняються від роботи снаряду зі знімним керноприймальником. На поверхні система дебалансний орієнтатор 9 - спрямований шток 13 орієнтується вищеописаним способом і фіксується за допомогою контргайки 11 (Фіг.6). Після цього орієнтатор своїм верхнім кінцем кріпиться за допомогою троса 6 і пружини 8 до переходу 4 і вся система розміщується в порожнині колонкової труби 1. Таким чином, в вихідному положенні (Фіг.6) відхиляючий шток і орієнтатор находяться в порожнині труби в підваженому стані, при цьому дебалансний орієнтатор 9 встановлюється на спеціально вмонтованих в колонкову трубу опорних центраторах 10, нижній з яких розташований над розширювачем 2. В колонкову трубу вище орієнтатора вгвинчується обмежувальний штифт 16 і снаряд опускається в свердловину. В процесі спуска пристрою в нахильну свердловину дебалансний орієнтатор 9, завдяки вільній підвісці і підшипниковому кріпленню 7, встановлюється в апсидальній площині свердловини, повертаючи площину качання штока 13 і хвостовика 14 на заданий кут до апсидальної площини свердловини, тобто пристрій самоорієнтується. Для того, щоб підвищити точність і надійність орієнтування, наприклад, для подолання сил тертя покою моментом ексцентрично зміщеної маси обмежувача 9 при малих зенітних кутах свердловини або у випадку зашламування опор 10, орієнтуюча система підважена на пружині 8, що забезпечує повздовжній люфт системі. Не доходячи до забою свердловини 1-2м, бурильну колону різко зупиняють, потім різко піднімають, і так декілька разів. В процесі "стряхування" колони система, підважена на пружині 8, під дією інерційних сил маси штока 13 і орієнтатора 9, робить коливальні рухи відносно опор 10, що знижує коефіцієнт тертя в опорах і збільшує точність орієнтування. Після цього буровий інструмент плавно опускають на забій свердловини, в процеси чого хвостовик 14 взаємодіє з вибоєм і згідно вищеописаному принципу, відхилює спрямований шток 13 в потрібному напрямку до стінки свердловини. В процесі подальшого спуску колонкової труби 1, штифт 16 спирається на фланець 15 і передає осьове навантаження на систему орієнтатор 9 - шток 13 – хвостовик 14, під дією якого хвостовик жорстко розклинюється в стволі свердловини, як це було описано для снаряду зі знімним керноприймальником. При подальшому збільшенні навантаження штифт 16 зрізається, після чого включають обертання бурового інструменту і колонкова труба 1, ковзаючись вздовж спрямованого штоку 13 на опорах 10 і розбурюючи коронкою 3 і розширювачем 2 стінку свердловини, буде забурювати новий напрямок (Фіг.7). Доходячи до розклиненого в поперечному напрямку хвостовика 14, коронка 3 вибурює його, після чого заглибка нового напрямку ведеться повним забоєм до тих пір поки залишена на штоці 13 частина хвостовика 14 не упреться в нижню опору 10. Після цього, зірвав звичайним способом утворений стовпчик керну 17, відхиляючий пристрій разом з буровим інструментом піднімається на поверхню. Після цього в свердловину опускають колонковий снаряд для ліквідації уступу і подальшої заглибки напрямку під заданим кутом a (Фіг.7). При необхідності збільшення набору кривизни спуск відхиляючого пристрою можна повторити. Позитивний ефект від реалізації пропонованого колонкового відхиляючого пристрою заключається в підвищенні надійності і ефективності роботи за рахунок застосування хвостовика з одним ступенем вільності повороту на осі шарніра в площині зміни напрямку свердловини, який жорстко закріплює спрямований шток по діаметру свердловини, одночасно задаючи йому орієнтований перекіс відносно осі свердловини. Причому, вільний кінець хвостовика зміщений відносно осі штока, що забезпечує надійне відхилення і розклин його при взаємодії з забоєм, практично при будь-якому стані ствола свердловини: наявність на забої залишків керну, шламу і т. ін. Крім того, принцип роботи пристрою дозволяє застосувати його як для снарядів зі знімними керноприймальниками, так і для звичайних одинарних_колонкових снарядів. В останньому випадку орієнтатор разом зі спрямованим елементом кріпиться в порожнині колонкової труби на гнучкому зв'язку з можливістю повздовжнього люфту, що значно підвищує точність орієнтування і установки відхиляючого пристрою навіть в несприятливих для дебалансних орієнтаторів умовах: при значній в'язкості промивальної рідини, при малому зенітному куті нахильної свердловини і т.д. Пропонований відхиляючий пристрій дозволить підвищити надійність і ефективність коректування трас свердловин з одночасним підйомом керну снарядами зі знімним керноприймальником і звичайними колонковими снарядами. Джерела інформації: 1. Калинин А.Г. "Искривление буровых скважин» Гостонтехиздат, М., 1963г., стр.260-261. 2. А.с. СРСР №1286723, кл. Е 21 В 7/08, БИ №18, 1987. 3. А.с. СРСР №128402 клас 5а, 17, БИ №10, 1960.