Наиболее известные конструкции ОНД

Забойный комплекс «КЕДР» разработан в ЗабНИИ для искусственного искривления скважин диаметром 59 и 76 мм. Создан также вариант отклонителя для искривления горизонтальных и восстающих скважин, которые имеет маркировку «КЕДР-ГБ» [4,12].

Комплекс «КЕДР» обеспечивает:

- реализацию требуемой интенсивности искривления в диапазоне 0,2-1,5 градус/метр, при этом возможна предварительная настройка отклонителя на заданную интенсивность искривления перед спуском его в скважину;

- самоориетирование комплекса в скважине при зенитных углах 3-60° (у отклонителя «КЕДР-ГБ» этот диапазон расширен до 120°), причем процесс ориентирования на заданный угол установки может повторяться многократно в течении одного рейса, время ориентирования 0,1 ч;

- контроль ориентирования на заданный угол установки отклонителя после окончания искривления и подъема отклонителя из скважины;

- раскрепление в скважинах диаметром не менее 91 и 71 мм для отклонителей с корпусом диаметром 73 и 57мм соответственно;

- искривление скважины с отбором керна.

Комплекс «КЕДР» содержит отклоняющее устройство с регулярным углом перекоса, распорное устройство в виде выдвижного ползуна клинового типа, выполненного по схеме, аналогичной распорному устройству отключителя ТЗ, ориентирующие устройства в виде винтового механизма со свободный устанавливающимся по апсидальной плоскости скважины шариком, контрольное устройство точности ориентирования в виде датчика апсидального угла шарикового типа.

Все устройства забойного комплекса «КЕДР» (рисунок 3.9, а) скомпоновано в три сборочные единицы: I - распорно-отклоняющий блок; II – ориентирующий блок; III – шлицевой узел.

Отклонитель «КЕДР» реализует искривление за счет асимметричного разрушения забоя и представляет собой корпус с жестким сменным искривленным патрубком 2, в подшипниковых узлах 1 которого размешен роторный вал 3 с двумя внутренними шарнирами. Стабилизирующее распорное устройство выполнено в виде подпружиненного выдвижного клинового ползуна 4, снабженного катками. Наружный шарнир 5 обеспечивает гибкую связь и регулируемую угловую установку нижней и верхней секций относительно апсидальной плоскости.

Ориентирующее устройство выполнено в виде винтового механизма со свободно устанавливающимся в апсидальной плоскости шариком. Устройство для ориентирования отклонителя содержит средний роторный вал 6 с заглушенным центральным каналом и двумя боковыми промывочными отверстиями и шлицевыми выступами на верхнем конце, возвратную пружину 7, разделительное кольцо 8, втулку 9 со шлицами в верхней части, узел блокировки 10 верхнего роторного вала 12 с пружиной 11. На верхнем роторном валу 12 размещена пружина 13, обеспечивающая передачу усилия на корпус, упругое выдвижение и продольное перемещение по образующей ствола скважины ползуна распорного устройства.

При установке отклонителя на забой (рис. 3.9,б) верхний роторный вал перемещается вниз на величину хода в шлицевой втулке 9, верхняя пружина параллельно перемещает корпус вниз до выхода ползуна, упора его в стенку скважины и создания перекоса нижней секции отклонителя.

Одновременно с этим шарик ориентирующего блока освобождается и занимает нижнее положение в апсидальной плоскости. После этого размыкается блокировка верхнего роторного вала с корпусом, отмечается кратковременный рост давления промывочной жидкости, наблюдаемый по манометру бурового насоса. Повышение и снижение гидравлического давления является сигналом силового контакта долота с забоем.

Рисунок 3.9 Отклонитель «КЕДР»:

а – транспортное положение; б – постановка отклонителя на забой и создание осевой нагрузки (рабочее положение); в – ориентирование (отрыв отклонителя от забоя)

Для ориентирования (рис.3.9, в) отклонитель «КЕДР» следует приподнять на 0,2-0,5м над забоем, при этом клиновой ползун втягивается в габариты корпуса. Зафиксированный в апсидальной плоскости шарик, взаимодействуя с винтовой поверхностью стакана ориентирующего устройства, обеспечивает поворот и установку отклонителя в заданное положение. При подъеме отклонителя над забоем разделительное кольцо 8 вновь разъединяет осевые каналы лицевого вала, что также сопровождается кратковременным повышением давления промывочной жидкости, а затем возвратом давления до рабочих параметров. Последовательное повышение и снижение давления промывочной жидкости при подъеме отклонителя над забоем скважины свидетельствует об окончании процесса ориентирования. После получения сигналов об ориентации отклонителя и постановки его на забой создается рабочая осевая нагрузка, включается вращатель бурового станка, и производится бурение скважины. Асимметричное разрушение забоя скважины и ее искривление осуществляется за счет наклона оси породоразрушающего инструмента к оси скважины. При бурении рекомендуется осевая нагрузка 800-3000даН; частота вращения не более 600мин^-1; расход промывочной жидкости 30л/мин.

Для искривления с одновременным отбором керна искривленный патрубок 2 можно заменить на короткий (длиной до 1м) колонковый набор.

Забойный комплекс «КЕДР» позволяет выполнять искусственное искривление на больших глубинах и при использовании вязких буровых растворов, обеспечивает дохождение до забоя по шламу, прохождение по зауженным участкам ствола и выполнение работ в неустойчивых породах за счет возможного многократного повторного ориентирования в течение рейса. Возможность регулирования интенсивности искривления в широких пределах позволяет использовать комплекс при всех видах разведочного бурения, в том числе комплексом ССК.

Отклонитель ТЗ-ЗП-59является модернизированным ОНД типа ТЗ-З. Снаряд состоит из двух основных частей: внутреннего вращающегося вала (ротор) и внешнего не вращающегося корпуса (статор) (рис.3.10). Ротор состоит из разъемного вала с верхним 17 и нижним 6 валами с опорными выступами, под которыми размещены упорные подшипники 3, а валы вращаются в радиальных подшипниках 4. Вал имеет шлицевой узел 13 и блокировочный зуб, входящий в паз блокировочной втулки 15, на валу также размещена возвратная пружина 14, на нижнюю часть вала устанавливается переходник 1 для породоразрушающего инструмента, а на верхний вал – ориентирующий переходник 16. Статор отклонителя состоит из корпуса, состоящего из деталей 2, 5, 8, 10, 11, 12 с блокировочной втулкой 15. Сверху над корпусом размещается статорная пружина 18, а над ней – верхний подшипниковый узел. Корпус в нижней части имеет скошенную под углом 35⁰ поверхность, называемую верхним полуклином 12, с ним соприкасается выдвижной ползун 9, также имеющий скошенные под тем же углом поверхности с обеих сторон, а в нем, со стороны опорной поверхности, закреплены свободно вращающиеся ролики – катки 7. Ползун 9 в свою очередь соприкасается с нижним полуклином, являющийся одновременно нижним подшипниковым узлом с крышкой 2, хвостовиком 8 с опорной поверхностью 10 и плашкой 5. Эта часть снаряда, состоящая из верхнего и нижнего полуклиньев и ползуна, соединенных между собой шлицевыми пазами, представляет собой распорный механизм.

После ориентации и постановки снаряда на забой на него передается осевая нагрузка. Верхняя часть ротора при этом перемещается вниз в пределах шлицевого разъема 13 вала. Осевая нагрузка Р_ос через верхний опорный выступ и подшипниковый узел передается на статорную пружину 18 и корпус, в результате ползун 9 выдвигается по скошенной поверхности верхнего полуклина 12 до упора катками 7 в стенку скважины, воздействуя на нее с усилием распора Р_р. Дальнейшее сжатие статорной пружины обеспечивает прижатие нижнего полуклина с хвостовиком 8, опорными элементами 10,11 и переходника 1 с долотом к стенке скважины в направлении, противоположном выдвинутому ползуну 9. Блокировочный зуб выходит из паза блокировочной втулки 15, вал-ротор отклонителя освобождается и после этого можно включать вращение бурильной колонны, которое через внутренний вал-ротор передается долоту.

Ролики-катки 7, расположенные на выдвижном ползуне 9, свободно вращаются, врезаясь в стенку скважины, и по мере разрушения забоя и перемещения снаряда вниз удерживают корпус от поворота.

Поскольку нижний полуклин отклонителя ТЗ-ЗП имеет накладку 10, размер которой обеспечивает положение долота в скважине без перекоса (рис. 3.11), этот ОНД способен реализовать только фрезерование стенки скважины в направлении действующего отклоняющего усилия Р_отк.

Для настройки отклонителя на расчетную интенсивность искривления предусмотрена установка плашки 5 (рис.3.10 и 3.11).

Интенсивность искривления скважины в установившемся режиме определяется положением трех точек на корпусе отклонителя: А (точка контакта долота со стенкой скважины), В (плашка 5) и С (накладка 10), которые и определяют линию кривизны ствола скважины (рис.3.11).

Искривление скважины отклонителем ТЗ-ЗП-59 осуществляется за счет фрезерования стенки скважины долотом под действием отклоняющего усилия, которое, в свою очередь, зависит от деформации и размеров отклонителя.

Конструкцией ТЗ-ЗП, при расположении его в прямолинейном стволе, определено, что Р_отк будет составлять 20-25% от величины Р_р, которое, в свою очередь, примерно равно осевой нагрузке на отклонитель. В последующем, при формировании кривизны и начале контакта со стенкой скважины плашки 5 в точке В (углубка на расстояние 0,45-0,5м), отклоняющая сила становится минимальной, но достаточной для реализации заданной интенсивности искривления, так как распорное усилие полностью воспринимается накладками 10,11 и плашкой 5, имеющими упор в стенку скважины. Если контакт плашки 5 со стенкой скважины утрачивается вследствие снижения кривизны ствола, отклоняющее усилие вновь увеличивается, а интенсивность искривления вновь возрастает до установленной размером плашки 5 величины.

Рисунок 3.10 Отклонитель ТЗ-3П-59.

Достоинство отклонителя ТЗ-ЗП-59 состоят в минимальной деформированности вала, возможности задавать интенсивность искривления и обеспечивать ее регулирование при минимальном, но достаточном для реализации искривления значении отклоняющего усилия на долоте.

Рисунок 3.11 Схема отклонителя ТЗ-ЗП-59 в рабочем положении.

Отклонители ОГМ-59 и ОГМ-76 (отклонитель гидромеханический) [12] предназначены для искусственного искривления скважин диаметром 59 и 76 мм в породах V-XI категории по буримости. Отклонители имеют гидромеханический узел закрепления в скважине, выполненный в виде выдвижной плашки, армированной резцами из твердого сплава и расположенной в вырезе корпуса. Эта конструктивная особенность ОГМ, в отличие от отклонителей с механическими распорными устройствами, позволяет производить искривление при самой минимальной осевой нагрузке на инструмент, так как величина распорного усилия не зависит от осевого.

Интенсивность искривления, реализуемая отклонителем, может составлять 0,3-2,0 град/м и регулироваться в этом диапазоне. Рабочий перепад давления промывочной жидкости для надежного закрепления отклонителя в скважине составляет 0,8-1,0МПа, а расход промывочной жидкости 45-60л/мин. Максимальный диаметр раскрепления составляет 61,5мм при диаметре корпуса 56,5 мм (ОГМ-59) и 78 мм при диаметре корпуса 72 мм (ОГМ-59). Длина отклонителя ОГМ-59 – 0,61м, отклонителя ОГМ-76 – 0,65м.

Отклонитель ОГМ (рис. 3.12) состоит из переходника 1, вала 2, корпуса 3 и долота 4. В нижней части вала установлен клапан-дроссель 5, предназначенный для создания перепада давления промывочной жидкости внутри отклонителя. На валу имеется отверстие 6 для попадания промывочной жидкости в полость А между валом 2 и гидрокамерой 7. На валу в постоянном зацеплении с ним находится муфта гидрорасцепки 8 с уплотнениями 9. На период спуска отклонителя и его ориентации (до включения насоса) муфта 8 находится в зацеплении с валом 2 корпусом 3 через шлицевые соединения 16. Отверстие 10 на валу предназначено для прохождения промывочной жидкости в полость Б гидрорасцепки. Основной деталью корпуса отклонителя является гидрокамера, состоящая из резиновой камеры 7 и распорной плашки 11 с накладкой и резцами 12. Накладка на распорной плашке 11 позволяет регулировать поперечный размер распора отклонителя, а резцы 12 обеспечивают стабилизацию корпуса отклонителя.

Для создания перекоса корпуса отклонителя относительно оси скважины и регулирования интенсивности искривления служит накладка 13, установленная диаметрально относительно распорной плашки 11. В отклонителе ОГМ функции подшипников скольжения выполняют капроновые втулки 4 и упорный подшипник 14, который служит для передачи поступательного движения корпусу. Герметизация гидрокамер и подшипников производится рядом резиновых уплотнений 9. В нижней части отклонителя со стороны, противоположной положению распорной плашки 11, имеется накладка 15, предназначенная для регулирования интенсивности искривления путем изменения ее высоты. Максимальная интенсивность искривления будет получена при отсутствии накладки 15, а минимальная интенсивность искривления, если накладка 15 будет по высоте близка к величине радиального зазора – 1,5мм.

Порядок работы с отклонителем следующий. После его спуска и ориентации включается буровой насос. При этом клапан дроссель 5 обеспечивает повышение давления в полости вала и распорная плашка 11 вследствие расширения гидрокамеры 7 выходит из окна корпуса и закрепляет его от проворачивания. Муфта 8 гидрорасцепки одновременно с закреплением отклонителя перемещается в верхнее положение, освобождая вал от зацепления с корпусом. Вращение вала начинается с минимальных частот вращения и при минимальной осевой нагрузке на долото.

После приработки долота частоту вращения доводят до 300мин^-1, осевую нагрузку до 2000даН. Скорость бурения отклонителем не должна превышать 0,9м/ч, а номинальный интервал бурения 2,5м. Для проработки интервалов искривления рекомендуется использовать шарнирные компоновки типа СПИ-59. Далее бурение продолжают колонковыми наборами (длина наборов 1,5; 2,0; 2,5м), соединенными с гибкими трубами, например, СБТ-42.

Рисунок 3.12 Отклонитель ОГМ-59.

Отклонитель реализует набор кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия и в зависимости от размера накладки 13 изменяет не только интенсивность искривления, но и существо процесса формирования кривизны (рис.3.13).

Так, если расстояние от оси отклонителя до внешней поверхности накладки r_в и радиус ствола скважины R_скв имеют соотношение r_в< R_скв, то будет реализовано искривление за счет фрезерования стенки скважины и асимметричного разрушения забоя при разнонаправленности этих процессов.

При r_в = R_скв реализуется только фрезерование стенки скважины (схема на рис. 3.13 соответствует этому случаю).

В случае, если r_в< R_скв возможен набор кривизны фрезерованием стенки скважины и асимметричным разрушением забоя при совпадении этих процессов по направлению, а анализ влияния параметров на интенсивность искривления следует вести с учетом перекоса корпуса отклонителя в направлении действия отклоняющего усилия.

Отклоняющее усилие, развиваемое отклонителем ОГМ, вызвано не деформацией вала, а распорным усилием, создаваемого плашкой 11, которая выдвигается из корпуса под давлением промывочной жидкости, попадающей в полость А через канал 6 в валу отклонителя (рис. 3.12). Данное обстоятельство определяет меньшую вероятность поломок деталей отклонителя, в первую очередь вала, из-за гораздо меньших механических напряжений.

Рисунок 3.13 Схема параметров отклонителя ОГМ

В то же время для отклонителя ОГМ интенсивность искривления на интервале набора кривизны в целом подчиняется зависимости.

Отклонитель ОГМ рекомендуется применять в составе многофункциональной компоновки МФК, которая включает отклонитель, ориентатор и инклинометр, что позволяет за один рейс произвести ориентирование отклонителя, искривление скважины в заданном направлении и определение полученных угловых параметров (несколько значений зенитного и азимутального углов) искривленной скважины.

Интенсивность искривления скважины компоновкой МФК составляет 0,5-1,5 град/м, затраты времени на ориентирование отклонителя – 5мин., на измерение параметров кривизны в одной точке – 2 мин.

Отклонители типа ТЗ-З-46,59,76,93,112; диаметр корпуса: 44,57,73,89 и 108мм соответственно, выполнены по единой кинематической схеме (а.с.№386117) [3,4].

Конструкция ТЗ достаточно близка к конструкции ОНД типа ТЗ-ЗП-59, поскольку последний является его модификацией. Отличие сводится к некоторым размерам, например, более увеличенному диаметру вала 6 и более удлиненному выдвижному ползуну 9 у ТЗ-ЗП, а также к тому, что у ТЗ-З отсутствует хвостовик 8 с накладкой 10, а также накладка на корпусе 5 и 11 (см.рис.3.14). В результате этих отличий отклонитель ТЗ относится к ОНД, которые обеспечивают набор кривизны фрезерованием при перекосе породоразрушающего инструмента в направлении, противоположном направлению фрезерования.

Отклонитель работает следующим образом.

При постановке на забой скважины на ОНД передается осевая нагрузка, под действием которой происходит раскрепление блокировочной муфты, и вал отклонителя освобождается от зацепления с корпусом. После этого происходит перемещение верхней части вала в шлицевом разъеме, осевая нагрузка передается через статорную пружину 1 на верхний полуклин 2 (рис.3.14). В результате выдвигается ползун 3 и упирается роликами-катками в стенку скважины. При этом обеспечивается прилегание к противоположной, по отношению к ползуну 3, стенке скважины верхнего 2 и нижнего 4 полуклиньев. Вал 5 при этом прогибается, и на долоте 6 появляется отклоняющая сила, которая обеспечивает фрезерование стенки скважины и набор кривизны ОНД. Отклоняющая сила будет направлена в сторону, противоположную выдвижному ползуну 3. В то же время происходит перекос долота 6 на забое в сторону, противоположную направлению действия отклоняющей силы, что обеспечивает асимметрию разрушения забоя, не совпадающую с направлением вероятного искривления скважины.

Распорное усилие, определяющее деформацию вала отклонителя 5, определяется как сумма двух сил, обеспечивающих смещение и прижатие к стенке скважины верхнего 2 и нижнего 4 полуклиньев (рис.3.14) [1]:

. (3.3)

Вследствие раскрепления ОНД и деформации вала 5 на долото 6 появляется отклоняющее усилие, которое равно:

, (3.4)

где Е – модуль упругости стали, из которой изготовлен вал ОНД, МПа; J – осевой момент инерции поперечного сечения вала ОНД, м⁴; a, b – расстояния от торца долота до середины ползуна и от середины ползуна до шлицевого разъема, м; f – прогиб вала под действием распорного усилия, м.

При изгибе вала ОНД образуется угол перекоса β:

, радиан. (3.5)

Угол перекоса долота на забое γ и угол перекоса вала β должны быть близки по величине, поэтому для прикладных расчетов можно полагать их равенство.

Приведенные выше формулы расчета отклоняющего усилия и угла перекоса вала ОНД справедливы для случая раскрепления отклонителя в прямолинейном стволе скважины.

Рисунок 3.14 Расчетная схема ТЗ-З в прямолинейном стволе скважины

В процессе набора кривизны под действием криволинейного стволе скважины происходит деформация корпуса и вала ОНД в сторону противоположную тому, которое сформировалась в прямолинейном стволе (рис.3.14). В криволинейном стволе возникает положение ОНД, при котором прогиб вала уменьшается вследствие криволинейности ствола противоположного направления, при этом снижается и отклоняющее усилие.

Таким образом, в начальный период набора кривизны интенсивность искривления будет наибольшей, постепенно снижаясь по мере углубки за счет уменьшения отклоняющей силы. При углубке забоя на глубину примерно равную (0,5-1,0) высоты нижнего полуклина с долотом интенсивность искривления ствола скважины перестает уменьшаться и стабилизируется.

Угол перекоса вала и долота, наряду с отклоняющим усилием, по мере углубки скважины с набором кривизны также снижается.

Набор кривизны при реализации искривлений ОНД типа ТЗ-З сложно прогнозировать и регулировать из-за значительного числа факторов, влияющих на процесс искривления, а также из-за значительной деформации всей конструкции отклонителя. Поэтому некоторое снижение эффективности работы отклонителей этого типа наблюдается при уменьшении типоразмера.