Ориентаторы механического типа. Самоориентаторы

Среди ориентаторов механического типа наиболее известен штыревой ориентатор клиньев (ШОК), представленный на рис.4.1, разработанный не менее полувека назад для ориентирования отклоняющих клиньев в наклонных скважинах. Важнейшим достоинством данного ориентатора является простота его конструкции, что позволяет осуществить его изготовление в самой простой механической мастерской.

Ориентатор ШОК включает переходник 1, который соединяет ориентатор с колонной бурильных труб, и переходник 8, соединяющий ориентатор с отклонителем, трубчатый корпус 2, гибкий прочный провод 3, приостренный штырь 4, пяту 5 с боковым вырезом, который должен обеспечивать проход штыря 4, стойку пяты 6, опору стойки 7 с отверстиями для прохода промывочной жидкости.

На корпусе 2, напротив выреза на пяте 5, сделала метка 9 для установки отклонителя на заданный угол ориентации. Расстояние между пятой 5 и опорой 7 должно быть меньше длины штыря 4 на 5-7 сантиметров во избежание полного проваливания штыря 4 в полость под пятой 5.

Ориентатор ШОК устанавливается непосредственно над отклонителем. При этом необходимо соорентировать отклонитель относительно выреза на пяте 5 на угол установки. С этой целью отклонитель и ориентатор соединяют таким образом, чтобы между плоскостью, в которой будет работать отклонитель в направлении искривления скважины, и плоскостью, проходящей через вырез пяты 5 и ее центр, был угол, равный углу установки отклонителя. Установку отклонителя относительно выреза на пяте 5 производят с помощью метки 9 на корпусе ориентатора.

На рис. 4.2 приведен пример ориентирования ложка клина 1относительно пяты с вырезом 2 на угол установки отклонителя ω₀ = -120°.

При ориентировании клина на поверхности на заданный угол установки его соединяют с ориентатором ШОК таким образом, чтобы ложок клина 1 был направлен относительно вертикальной плоскости (апсидальная плоскость), проходящей через вырез (метку 9 на рис.4.1) под заданным углом установки.

Ориентирование в скважине с помощью ШОК производится следующим образом. Отклонитель с ориентатором, предварительно установленные в колонне бурильных труб под заданным углом установки, спускают в скважину. Снаряд находится в подвешенном состоянии на расстоянии 1,0 – 0,5 м. от забоя. После спуска и установки колонны через внутреннюю полость бурильных труб спускают штырь 4 на гибком проводе 3. В тот момент, когда штырь 4 достигает пяты 5, всю колонну начинают медленно проворачивать по часовой стрелке, одновременно поддергивая штырь 4 над пяты 5. Штырь 4 под действием собственного веса в наклонной скважине будет прижиматься к внутренней поверхности ориентатора в самой нижней точке корпуса 2. Сигналом ориентирования будет момент, когда штырь 4 провалится в отверстие пяты 5 (позиция на рис.4.1). В момент проваливания штыря 4 рывок провода 3 сигнализирует о том, что отклонитель установлен под заданным углом.

Рисунок 4.1 Ориентатор ШОК

Ориентаторы ШОК, из-за ограниченной чувствительности при получении сигнала об ориентировании, могут использоваться для ориентирования в наклонных скважинах на глубинах не более 300-400 метров. Для повышения глубины применения ориентаторов ШОК существуют их усовершенствованные разработки.

Рисунок 4.2 Схема установки клина относительно пяты ориентатора ШОК под углом установки 120⁰

Самоориентатор ОП-3 разработан ЗабНИИ для ориентирования ОНД типа ТЗ и устанавливается непосредственно над отклонителем (рис.4.3). Подобная же схема применяется и при использовании самоориентатора С-76, созданного в ВИТРе для ориентирования отклонителей СБС и ОБС.

Ориентатор ОП – 3 разработан ЗабНИИ для ориентирования ОНД типа ТЗ и устанавливается непосредственно над отклонителем (рис.4.3). Подобная схема применяется и при использовании самоориентатора С – 76, созданного в ВИТРе для ориентирования отклонителей СБС и ОБС.

Ориентатор ОП – 3 включает переходник 1 с резьбой для соединения с корпусом ОНД, шарнирную втулку 2 и контргайку 3, кольцо 4 и штифты 5, обеспечивающие шарнирное соединение отклонителя с ориентатором. Вал 6 с резьбой для соединения с валом отклонителя, помещен внутри корпуса, в котором на подшипниках дисбалансом помещен свинец эксцентричного груза 7. Вес груза 7 должен быть достаточным для проворота отклонителя на заданный угол ориентирования. В корпусе 8 подшипникового узла имеется пята 9, подшипник 10 и две половины сцепной муфты 11 и 12.

Для настройки отклонителя на заданный угол установки эксцентричный груз 7 перед спуском в скважину ориентируют на заданный угол установки отклонителя, и это положение эксцентричного груза 7 относительно корпуса ОНД фиксируют с помощью контргайки 3.

Для этого отклонитель с присоединенным самоориентатором ОП укладывают на горизонтальную поверхность, отвинчивают контргайку 3 и свободно вращающийся относительно эксцентричного груза корпус отклонителя поворачивают в положение угла установки ω_о=0^о.

Для ТЗ это положение соответствует случаю, когда ползун отклонителя с катками – роликами направлен строго вертикально вниз и совпадает с положением эксцентричного груза 7, который под действием веса эксцентрика занимает нижнее положение (рис. 4.4, а). Далее, не меняя положение эксцентричного груза 7, корпус отклонителя поворачивают на заданный угол установки ω_о (вправо, если угол положительный и влево, если угол установки отрицательный). Контроль угла поворота следует вести с помощью устройства ПУ, предварительно закрепленного на корпусе ОНД в положении, при котором происходит искривление скважины отклонителем (в сторону, противоположную ползуну с катками - роликами).

Рисунок 4.3 Ориентатор ОП

Полученное положение груза 7 относительно корпуса и ползуна отклонителя фиксируют с помощью контргайки 3.

На рис. 4.4 представлены схемы, поясняющие процесс настройки самоориентатора ОП – 3 и отклонителя ТЗ – 3 на угол установки отклонителя ω_о равный 90^о (искривление вправо с увеличением азимута без изменения зенитного угла). На схеме рисунка 4.4 обозначено: 1 – эксцентричный груз, занимающий положение под действием силы тяжести и веса груза G (соединен с корпусом отклонителя и фиксируется с ним контргайкой); 2 – вал самоориентатора (соединен с валом отклонителя); 3 – катки – ролики ползуна отклонителя ТЗ; 4 – направление искривления отклонителем; 5 – устройство ПУ; 6 – шарик – указатель угла установки отклонителя устройства ПУ.

Рисунок 4.4 Схемы, поясняющие процесс настройки самоориентатора ОП и отклонителя типа ТЗ на угол установки отклонителя ω₀=90⁰

На левой схеме отклонитель установлен в исходное при настройке положение, когда угол установки отклонителя равен 0^о. На правой схеме отклонитель повернут по часовой стрелке на четверть оборота, что соответствует углу установки 90⁰.

Зафиксированные в таком положении контргайкой 3 эксцентричный груз 7 ориентатора (рис. 4.3) и отклонитель спускают в наклонную скважину.

При спуске в скважину груз 7 и отклонитель находятся в свободно подвешенном состоянии на пяте 9 (рис. 4.3) и подшипнике 10. Поэтому эксцентричный груз 7 проворачивается под действием силы тяжести и поворотом устанавливает отклонитель на заданный угол ориентации.

При постановке на забой верхняя часть 12 сцепной муфты и пята 9 опускаются вниз, и зубцы двух половин 11 и 12 сцепной муфты входят в зацепление (рис. 4.3), обеспечивая передачу крутящего момента и осевого усилия от колонны к валу 6 и далее к долоту ОНД. В результате обеспечивается закрепление отклонителя в скважине и углубка забоя с искривлением скважины в заданном направлении.

Ориентатор ОП – 3 создан на основе одной из кинематических схем, предложенных Ю.С.Костиным. Указанные кинематические схемы отличаются взаимосвязью эксцентричного груза с отклонителем, колонной бурильных труб и стенками скважины. Наиболее перспективной, с позиции точности ориентирования, является схема, в которой эксцентричный груз в момент ориентирования жестко связан с корпусом отклонителя, касается стенок скважины и имеет возможность вращаться относительно бурильной колонны благодаря свободной подвеске на опорном подшипнике.

Точность ориентирования самоориентирующими устройствами механического типа зависит от зенитного угла скважины, массы и эксцентриситета груза, а также сил трения в подшипниковых опорах, уплотнениях, ориентатора с отклонителем о стенку скважины рис. 4.5.

Анализ возможный значений погрешности ориентирования показал, что при малых зенитных углах (до 5⁰) расчетная погрешность ориентирования может достигать ±10,5⁰ и при увеличении зенитного угла уменьшается (при зенитном угле 30⁰ погрешность составляет ±1⁰).

Рисунок 4.5 Схема к определению М_см самоориентатора.

Одной из последних, и в то же время, хорошо апробированных систем ориентирования, созданных в ЗабНИИ, является ориентатор забойных комплексов «КЕДР» и «КЕДР - ГБ».

Ориентатор отклонителя «КЕДР» (рис. 4.6) включает стакан 1 с пазом 2 и винтовой торцевой поверхностью 3. Другими основными элементами ориентатора является шарик 4 и корзина 5. Корзина выполнена в торце шлицевого разъема 8 в виде гнезд, располагаемых по периметру внешнего края шлицевого разъема 8 для размещения шарика 4. Вал–ротор 6 отклонителя проходит через стакан 1, не имея соединения с ним. Вал 6 выполнен составным. Его составные части соединены шлицевым разъемом 8 (у «КЕДРа» используется два шлицевых разъема для увеличения хода вала). Корпус–статор отклонителя 7 соединен со стаканом 1. На валу 6 под шлицевым разъемом 8 установлена возвратная пружина 9.

Ориентирование отклонителя начинается с постановки отклонителя на забой наклонной скважины под нагрузкой. При некотором перемещении вниз и укорачивании вала 6 за счет смыкания шлицевого разъема 8, сжимается пружина 9 и шарик 4, освобождаясь под действием силы тяжести, ориентируется и занимает самое нижнее гнездо в корзине 5. Операция постановки ОНД на забой сопровождается кратковременным повышением (смежные циркуляционные отверстия разомкнуты), а затем понижением давления промывочной жидкости (смежные циркуляционные отверстия совпадают), что отмечается по манометру бурового насоса.

Рисунок 4.6 Примерная схема ориентирующего узла отклонителя «КЕДР»

а – момент ориентирования при отрыве отклонителя от забоя наклонной скважины (корзина 5 с шариком 4 под действием пружины 9 перемещается вверх и надвигается на винтовую поверхность 3 стакана 1, проворачивая стакан 1 и корпус 6 отклонителя в заданное при настройке ориентатора и отклонителя угол установки); б – стакан 1 с пазом 2 и винтовой поверхностью 3 рабочего торца при взаимодействии с шариком 4;

Для ориентирования отклонитель разгружают и приподнимают над забоем. В момент разгрузки сжатая пружина 9 воздействует на вал 6 и перемещает корзину вверх. При этом шарик 4, зафиксированный к гнезде корзины 5, взаимодействует с поверхностью 3 стакана 1. Под действием шарика 4, воздействующего на стакан 1 с усилием Р_п, происходит поворот стакана 1 вместе с корпусом ОНД под действием крутящего момента М_к, равнового произведению усилия Р_к на средний радиус поперечного сечения стакана 1 r_в.

Поворот стакана 1 и корпуса 7 отклонителя непрерывного действия происходит до тех пор, пока положение шарика 4 не совпадет с положением паза 2 стакана 1. В этом случае шарик 4 проваливается в паз 2, происходит заданное перемещение вала 6 вверх, что приводит к совмещению отверстий в валу 6 с другими отверстиями циркуляционной системы отклонителя. В результате при ориентировании первоначально возрастает, а затем снижается давление промывочной жидкости, что воспринимается как сигнал об ориентировании отклонителя.

В процесс ориентирования нужный угол ориентации отклонителя можно установить не за одну, а за две, три и более операций постановки и отрыва отклонителя от забоя до получения сигнала об ориентировании.

Существенным достоинством ориентатора является возможность повторной ориентации уже на этапе бурения скважины в заданном направлении. Повторное ориентирование, особенно на протяженных интервалах набора кривизны, существенно повышает точность искривлений.

Настройка ориентатора на заданный угол установки осуществляется относительно нулевой метки, которая располагается на корпусе ориентатора на противоположной стороне от паза 2 в стакане 3 (рис. 4.6, 4.7).

При настройке отклонителя и ориентатора на заданный угол установки следует помнить, что у отклонителя «КЕДР» направление искривления совпадает с направлением выдвижения ползуна с роликам – катками. На схемах рис.4.7 направление действия отклонителя 3 связано с положением роликов – катков 1 ползуна отклонителя.

Совпадение нулевой метки 4 и направления действия отклонителя 3 будет соответствовать углу установки отклонителя равного 0⁰ (рис. 4.7, а). Для установки иного угла ориентирования, например 60⁰ (рис. 4.7, б), следует отклонитель повернуть на заданный угол установки относительно нулевой метки вправо.

Рисунок 4.7 Схемы настройки отклонителя «КЕДР»

на угол установки 0⁰ (а) и 60⁰ (б):

1 – паз стакана ориентатора; 2 – катки-ролики выдвижного ползуна отклонителя; 3 – направление действия отклонителя; 4 – метка-угол установки 0⁰.

Погрешность ориентирования шариковыми ориентаторами не превышает ±7⁰ при размерах шарика от 7 до 12,7 мм, что соответствует уровню требований по качеству работ при ориентировании.