Турбобур

 

Использование: в горном деле при бурении наклонно направленных скважин. Сущность изобретения: турбобур включает верхний и нижний валы, кинематически связанные между собой и установленные под углом друг к другу каждый в собственном корпусе соответственно на радиальных и осевых опорах. Верхний вал снабжен турбиной, а нижний связан с породоразрушающим инструментом. Ось нижнего вала установлена под углом к оси его собственного корпуса, причем оси верхнего и нижнего корпуса соосны. Угол между осью нижнего вала и осью его корпуса находится в диапазоне 30 - 7^o. Нижний вал турбобура снабжен по крайней мере одной турбиной. 2 з. п. ф - лы, 1 ил.

Изобретение относится к буровой технике, конкретнее к турбобуру.

Известен турбобур (патент US 4361192), включающий вал, установленный в корпусе на радиальных и осевых опорах, несущий турбину и связанный с долотом. Верхняя часть корпуса через искривленный переводник монтируется к бурильной колонне, поэтому ось корпуса, которая остается соосной оси вала, составляет некоторый угол с осью бурильной колонны. Такой турбобур используется при бурении направленных скважин. При подаче буровой жидкости из бурильной колонны в турбобур турбина приводит во вращение вал и долото. Из-за наличия угла между осью корпуса и осью бурильной колонны и связанной с этим упругой деформаций корпуса на долоте появляется поперечное отклоняющее усилие. Указанный угол равен 0^о20' 3^o30' и лимитируется осложнениями, возникающими при проталкивании такого турбобура по стволу скважины. Из-за трудностей и аварийных ситуаций, с ними связанных, которые возникают по причине невозможности "заталкивания" такого турбобура в ствол скважины, приходится ограничиваться углами перекоса осей от 0^o20' до 3^о, хотя в ряде случаев желательно иметь значительно большие значения, в частности для многозабойного заканчивания горизонтальными стволами слабо наклонных или вертикальных скважин большого диаметра.

Известен также турбобур (патент US 4475605), включающий вал, установленный в корпусе на радиальных и осевых опорах, несущий турбину и связанный с долотом. В нижней части корпуса имеется эксцентричная вставка на его наружной поверхности, которая определяет угол между корпусом и частью вала, выступающей из корпуса. Турбобур работает при бурении наклонных скважин в интервалах набора кривизны. Последний осуществляется за счет того, что часть вала, выступающая из корпуса, за счет упругих деформаций устанавливается под углом к корпусу. Это приводит к появлению на долоте поперечного отклоняющего усилия. Так как эксцентричная втулка ограничивает прохождение турбобура по стволу скважин, то и угол между нижней частью вала и корпусом составляет незначительную величину (1^о-2^о30'). Работа такого турбобура связана с большой вероятностью аварий из-за частых прихватов корпуса в стволе скважины, а также "зависания" корпуса при проталкивании его по стволу скважины.

Известен также турбобур (патент US N 3989409), включающий верхний и нижний валы, кинематически связанные друг с другом. Эти валы установлены под углом друг к другу каждый в собственном корпусе соответственно на радиальных и осевых опорах. Верхний вал снабжен турбиной, а нижний вал связан с долотом (породоразрушающим инструментом). Угол между верхним и нижним валами определяет соответственно угол между корпусами верхнего и нижнего валов.

Такой турбобур работает при бурении наклонной скважины с набором кривизны, а траекторию ствола скважины позволяет приводить в заданную "мишень". Набор кривизны осуществляется за счет наличия на долоте отклоняющего поперечного усилия, которое обусловлено в свою очередь углом между верхним и нижним корпусами, равным не более 3^o30', и их упругой деформацией. Данная конструкция турбобура не позволяет бурить интервалы с интенсивным набором кривизны (радиусом менее 25 м), так как для этого требуется увеличить угол между верхним и нижним корпусом от 3^o30' и более, что вызывает в свою очередь высокую вероятность аварий при проталкивании такого изогнутого корпуса турбобура в скважине.

Задача изобретения создать турбобур для бурения наклонно направленных скважин с большой интенсивностью набора кривизны и одновременно безаварийной проходимостью корпуса по стволу скважины.

Эта задача решается тем, что в турбобуре, включающем верхний и нижний валы, кинематически связанные между собой и установленные под углом друг к другу, при этом каждый в собственном корпусе соответственно на радиальных и осевых опорах, и верхний вал снабжен турбиной, а нижний связан с породоразрушающим инструментом, ось нижнего вала установлена под углом к оси его собственного корпуса.

Благодаря тому, что ось нижнего вала установлена под углом к оси его собственного корпуса на породоразрушающем инструменте, например долоте, при работе турбобура в скважине появляются значительные отклоняющие усилия. При этом турбобур имеет высокую проходимость по стволу скважины, так как отсутствует необходимость устанавливать под углом друг к другу верхний и нижний корпусы.

В результате достижения на долоте значительных поперечных отклоняющих усилий турбобур обеспечивает бурение интервалов скважин с интенсивным набором кривизны радиусами от 20 м и менее.

Целесообразно, чтобы угол между осью нижнего вала и осью его собственного корпуса находился в пределах от приблизительно 0^о30' до приблизительно 7^о. При этом условии радиусы кривизны могут быть уменьшены до 8 м, что позволяет по малому радиусу входить горизонтальным стволом в тонкие нефтяные пласты и пропластки.

Также целесообразно на нижнем валу установить по меньшей мере одну турбину. Эта установка обеспечит направление общего вращающего момента, одновременно снизить нагрузки на муфту, которая кинематически связывает верхний вал с нижним, повысит надежность работы турбобура, увеличит скорости бурения.

На чертеже изображен турбобур, общий вид.

Турбобур включает верхний 1 и нижний 2 валы, связанные между собой муфтой 3. Верхний вал 1 установлен в собственном корпусе 4 на радиальных 5 и осевой 6 опорах и несет турбину 7. Нижний вал 2 на опорах 8 смонтирован в собственном корпусе 9. На конце нижнего вала 2 закреплен породоразрушающий инструмент (долото) 10. Корпус 4 и корпус 9 соединены между собой переводником 11. Ось O'O' веpхнего вала 1 составляет угол с осью O"O" нижнего вала 2.

Соединение верхнего 1 и нижнего 2 валов осуществляется с помощью муфты 3, которая передает вращающие моменты и может быть выполнена в виде шарнира, короткой гибкой трубы или иного типа (не показан).

В нижнем корпусе 9 нижний вал 2 размещен таким образом, что угол между его осью O"O" и осью OO корпуса 9 равен . Углы и могут быть равными, однако возможно выполнение турбобура с разными по величине углами и .

Установка оси O"O" нижнего вала 2 под углом к оси OO нижнего корпуса 9 обеспечивает на долоте 10 значительные отклоняющие усилия без необходимости изгиба корпуса и появления последующих упругих деформаций.

В турбобуре угол может принимать значение от приблизительно 0^o30' до приблизительно 7^o. Угол тем большем, чем меньший радиус кривизны требуется по- лучить при бурении наклонной скважины. Установка угла в предлагаемом диапазоне обеспечивает эффективное бурение наклонных скважин с радиусами кривизны от 25 до 8 м и менее.

На нижнем валу 2 смонтирована турбина 12. Количество таких турбин определяется габаритами турбобура и заданными значениями вращающих моментов. Турбина 12 может быть одинакового типа с турбиной 7, однако возможно выполнение их разными. Так как турбина 12 установлена на нижнем валу 2, то генерируемый ею вращающий момент передается непосредственно на долото 10, разгружая от части вращающего момента муфту 3. Обычно муфты подобного типа при передаче вращающих моментов между перекошенными друг к другу валами быстро выходят из строя, поэтому снижение на указанной муфте нагрузок увеличит ее надежность.

Работа туpбобура в скважине осуществляется следующим образом. Буровую жидкость через канал бурильной колонны (не показана) подают в турбобур. При попадании буровой жидкости на турбину 7, установленную на верхнем валу 1, последний приходит во вращение и долото 10 бурит породу. Радиальные 5 и осевые 6 опоры поддерживают вал 1 в корпусе 4. Нижний вал 2 вращается на опорах 8 внутри корпуса 9. Муфта 3 передает вращение с верхнего вала 1 на нижний вал 2, одновременно обеспечивая беспрепятственное вращение упомянутых валов под углом по отношению друг к другу. Осевая нагрузка от бурильной колонны на долото 10 передается через корпус 4, переводник 11, корпус 9, опоры 8.

Так как ось O"O" нижнего вала 2 стоит под углом к оси OO нижнего корпуса 9, на долоте 10 появляется отклоняющее усилие и долото 10 бурит скважину с интенсивным набором искривления. При углах , близких 7^о, радиус кривизны достигает 8 м и менее. Достигаемые значения радиусов кривизны позволяют осваивать тонкие нефтяные пласты, входя в них горизонтальным стволом.

Турбина 12, установленная на нижнем валу 2, генерирует вращающий момент и непосредственно передает его долоту 10, при этом увеличивает срок службы муфты 3, повышает мощность и надежность турбобура в целом. Это особенно ценное свойство проявляется при использовании долот типа "Stratapax".

Так как в турбобуре отсутствует изгиб корпусов, то исключаются аварийные ситуации, связанные с проталкиванием изогнутого корпуса по стволу скважины. Впервые турбобуром, в котором отсутствует изгиб корпуса, обеспечивается эффективное бурение наклонных скважин с малыми радиусами кривизны порядка 8 м.

Турбобур наиболее успешно может применяться для бурения наклонных и горизонтальных скважин, еще большего эффекта можно достичь при бурении разветвленных скважин с буровых платформ в море. Использование турбобура обеспечивает качественное бурение скважин по наиболее рациональной, а следовательно, и наиболее экономичной траектории, при этом исключаются затраты на ликвидацию аварий, связанных с заклиниванием и проталкиванием изогнутого корпуса турбобура.

Изобретение с наибольшим успехом может быть использовано в турбобурах для бурения наклонно направленных нефтяных, газовых и иных скважин. Кроме того, изобретение может найти применение в турбобурах малого диаметра для бурения горизонтальных скважин, а также участков скважин с малыми радиусами кривизны.

Формула изобретения

1. ТУРБОБУР, включающий верхний и нижний валы, кинематически связанные между собой и установленные под углом друг к другу каждый в собственном корпусе соответственно на радиальных и осевых опорах, причем верхний вал снабжен турбиной, а нижний связан с породоразрушающим инструментом, отличающийся тем, что ось нижнего вала установлена под углом к оси его собственного корпуса, причем оси верхнего и нижнего корпусов соосны.

2. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что угол между осью нижнего вала и осью наружной поверхности его собственного корпуса находится в диапазоне от 030 до 7. 3. Турбобур по п.1, отличающийся тем, что нижний вал снабжен по крайней мере одной турбиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1