RU2777048C1

RU2777048C1 - Device for creating an axial force on a chisel when drilling horizontal wells

Info

Publication number: RU2777048C1
Application number: RU2021134586A
Authority: RU
Inventors: Наиль Равильевич Ахмедов; Руслан Радикович Яковлев
Original assignee: Публичное акционерное общество "Татнефть" имени В.Д. Шашина
Filing date: 2021-11-26
Publication date: 2022-08-01

Abstract

FIELD: mining industry.

SUBSTANCE: device is claimed to create an axial force on a chisel when drilling horizontal wells. The device includes a cylindrical body and rollers spring-loaded to the walls of the well. The rollers are located at a certain distance from each other. The rollers are pushed out due to the passage of the washing liquid flow. The rollers are made with the possibility of fixing in the walls of the well and with the possibility of pushing the drilling tool. The housing inside is equipped with a coaxial cup with an impeller, made with the possibility of giving rotation under the action of a fluid flow and equipped with a rod with a worm screw at the end. Each roller contains a number of gears mounted on it, transmitting rotation to each other. The extreme gear has an axis of rotation, relative to which the roller is rotatable, thereby moving out of the housing, pressing against the walls of the well to create an axial force. The extreme gear is made with the possibility of interacting with a worm screw at the end of the rod, forming a worm gear. The lever is fixed at one end on the extreme gear, and the other end of the lever is equipped with an axis of rotation located on the bushing mounted coaxially with the rod. The lever is spring-loaded outward with the possibility of extending the roller relative to the housing.

EFFECT: creation of a device for providing an axial force on a chisel when drilling horizontal wells, which makes it possible to expand the functionality when drilling extended horizontal wells.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначена для бурения нефтяных и газовых скважин с протяженными горизонтальными окончаниями, в частности может быть применима в компоновке низа бурильной колонны (КНБК).The invention relates to the oil and gas industry and is intended for drilling oil and gas wells with extended horizontal endings, in particular, can be used in the layout of the bottom of the drill string (BHA).

Известна система управления буровым устройством для разработки труднодоступных запасов углеводородов (патент на ИЗ № 268053, МПК E21B 7/08, опубл. 01.03.2019, бюл. №7) включающая корпус, имеющий ось, размещенный в корпусе с возможностью вращения вал, состоящий из ведущего и ведомого валов, соединенных с помощью шарнира, на ведомом валу установлен радиально-упорный подшипник с возможностью поддержания его коллинеарным с осью корпуса, исполнительный орган и механизм перемещения, установленные с возможностью обеспечения отклонения вала от оси корпуса, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена центратором, жестко соединенным с корпусом, размещенными в корпусе электронным модулем с электрической цепью и вращающимся контактным устройством, соединенным с электронным модулем через электрическую цепь, при этом вал снабжен вторым шарниром, образуя промежуточный вал между ведущим и ведомым валами, причем использованы шарниры, работающие в масляной ванне, ведомый вал снабжен вторым радиально-упорным подшипником, установленным вблизи торца корпуса, исполнительный орган содержит три клина и три индуктивных датчика перемещения, механизм перемещения исполнительного органа выполнен в виде трех электрических двигателей с планетарными редукторами, расположенных под углом 120 градусов относительно друг друга, при этом каждому электрическому двигателю соответствует клин, установленный с возможностью перемещения в обе стороны с обеспечением отклонения вала от оси корпуса, и на каждом клине установлен индуктивный датчик перемещения. A well-known drilling device control system for the development of hard-to-reach hydrocarbon reserves (patent IZ No. 268053, IPC E21B 7/08, publ. of the drive and driven shafts connected by a hinge, an angular contact bearing is installed on the driven shaft with the possibility of maintaining it collinear with the axis of the housing, the actuator and the movement mechanism installed with the possibility of ensuring the deviation of the shaft from the axis of the housing, characterized in that it is additionally equipped with a centralizer rigidly connected to the housing, placed in the housing by an electronic module with an electrical circuit and a rotating contact device connected to the electronic module through an electrical circuit, while the shaft is provided with a second hinge, forming an intermediate shaft between the drive and driven shafts, and hinges operating in oil bath, the driven shaft is equipped with a second radial o-thrust bearing mounted near the end of the body, the executive body contains three wedges and three inductive displacement sensors, the movement mechanism of the executive body is made in the form of three electric motors with planetary gears located at an angle of 120 degrees relative to each other, while each electric motor corresponds to a wedge mounted with the possibility of movement in both directions to ensure the deviation of the shaft from the axis of the housing, and an inductive displacement sensor is installed on each wedge.

Известен блок отклонения системы управления буровым устройством (патент на ИЗ № 2655325, МПК E21B 7/08, опубл. 25.05.2018, бюл. № 15) включающий корпус, имеющий ось, размещенный в корпусе с возможностью вращения вал, состоящий из ведущего и ведомого валов, соединенных с помощью шарнира, на ведомом валу установлен радиально-упорный подшипник с возможностью поддержания его коллинеарным с осью корпуса, исполнительный орган и механизм перемещения, установленные с возможностью обеспечения отклонения вала от оси корпуса, отличающийся тем, что вал снабжен вторым шарниром, образуя промежуточный вал между ведущим и ведомым валами, ведомый вал снабжен вторым радиально-упорным подшипником, установленным вблизи торца корпуса, исполнительный орган содержит три клина-отклонителя и три датчика перемещения, механизм перемещения исполнительного органа выполнен в виде трех шаговых двигателей, расположенных под углом 120 градусов друг относительно друга, при этом каждому шаговому двигателю соответствует клин-отклонитель, установленный с возможностью перемещения в обе стороны с обеспечением отклонения вала от оси корпуса, и на каждом клине-отклонителе установлен датчик перемещения. Known block deviation of the control system of the drilling device (patent IZ No. 2655325, IPC E21B 7/08, publ. shafts connected by a hinge, an angular contact bearing is installed on the driven shaft with the possibility of maintaining it collinear with the axis of the housing, the actuator and the movement mechanism installed with the possibility of ensuring the deviation of the shaft from the axis of the housing, characterized in that the shaft is equipped with a second hinge, forming an intermediate shaft between the driving and driven shafts, the driven shaft is equipped with a second angular contact bearing installed near the end of the housing, the executive body contains three wedge-deflectors and three displacement sensors, the mechanism for moving the executive body is made in the form of three stepper motors located at an angle of 120 degrees relative to each other, while each stepper motor corresponds to a wedge installed with the possibility of movement in both directions to ensure the deviation of the shaft from the axis of the housing, and a displacement sensor is installed on each wedge-deflector.

Недостатками известных изобретения является, то что устройство позволяет позиционировать долото и направлять его необходимой траектории, при этом ограничивает доведение нагрузки до долота, которая снижается при высоких трениях между бурильным инструментом и стенкой скважины, что может привести к остановке бурения на глубине горизонтального ствола скважины.The disadvantages of the known inventions is that the device allows you to position the bit and direct it to the required trajectory, while limiting the load to the bit, which decreases with high friction between the drilling tool and the borehole wall, which can lead to drilling stop at the depth of the horizontal wellbore.

Наиболее близким аналогом является устройство для бурения протяженных горизонтальных скважин (патент на ПМ № 185927, МПК E21B 23/04, E21B 17/10, E21B 7/24, опубл. 25.12.2018, бюл. №11) состоящее из цилиндрического корпуса и роликов, отличающееся тем, что содержит встроенные ролики, часть из которых являются точками опоры, находящимися на определенном расстоянии друг от друга, и узел управления, при этом встроенные ролики выполнены с возможностью контакта и взаимодействия со стенками ствола скважины, вращения за счет прохождения потока промывочной жидкости, закрепления в породе с возможностью проталкивания бурильного инструмента, а в узел управления входят встроенные датчики замера пространственных параметров и параметров режима бурения - осевая нагрузка на долото, расход промывочной жидкости на забое, частота вращения породоразрушающего инструмента с возможностью передачи параметров по гидравлическому каналу связи на поверхность. The closest analogue is a device for drilling extended horizontal wells (patent for PM No. 185927, IPC E21B 23/04, E21B 17/10, E21B 7/24, publ. 25.12.2018, bull. No. 11) consisting of a cylindrical body and rollers , characterized in that it contains built-in rollers, some of which are support points located at a certain distance from each other, and a control unit, while the built-in rollers are made with the possibility of contact and interaction with the walls of the wellbore, rotation due to the passage of the flushing fluid flow , fixing in the rock with the possibility of pushing the drilling tool, and the control unit includes built-in sensors for measuring spatial parameters and drilling mode parameters - axial load on bit, flushing fluid flow rate at the bottomhole, rotational speed of the rock cutting tool with the possibility of transmitting parameters via a hydraulic communication channel to the surface .

Недостатком известного устройства является сложность конструкции и эксплуатации, сложность внедрения узла управления в устройство для бурения протяженных горизонтальных скважин.The disadvantage of the known device is the complexity of design and operation, the complexity of the implementation of the control unit in the device for drilling extended horizontal wells.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для создания осевого усилия на долото при бурении горизонтальных скважин, позволяющего расширить функциональные возможности при бурении протяженных горизонтальных скважин, за счет доведения бурового инструмента до проектного забоя на горизонтальных участках и отсутствием необходимости применения наддолотного модуля.The technical objective of the invention is to create a device for creating an axial force on the bit when drilling horizontal wells, which makes it possible to expand the functionality when drilling extended horizontal wells by bringing the drilling tool to the design bottom hole in horizontal sections and without the need to use a bit module.

Техническая задача решается устройством для создания осевого усилия на долото при бурении горизонтальных скважин, состоящих из цилиндрического корпуса и подпружиненных к стенкам скважины роликов, находящимися на определенном расстоянии друг от друга, вращающихся за счет прохождения потока промывочной жидкости, закрепления в породе с возможностью закрепления в стенках скважины и с возможностью проталкивания бурильного инструмента.The technical problem is solved by a device for creating an axial force on the bit when drilling horizontal wells, consisting of a cylindrical body and rollers spring-loaded to the walls of the well, located at a certain distance from each other, rotating due to the passage of the flushing fluid flow, fixing in the rock with the possibility of fixing in the walls wells and with the possibility of pushing the drilling tool.

Новым является то, что корпус внутри снабжен коаксиальным стаканом с крыльчаткой, изготовленной с возможностью придания вращения под действием потока жидкости и оснащенной штоком с червячным винтом на конце, а каждый ролик оснащен шестерней и установлен на одном конце подпружиненного наружу рычага, другой конец которого оснащен осью вращения, зафиксированной внутри корпуса с установленной с возможностью вращения двойной шестерней, одна из которых выполнена с возможностью взаимодействия с червячным винтом, образуя червячную передачу, а вторая – через ряд зубчатых передач с шестерней ролика для передачи вращения ролику и обеспечения перемещения корпуса для создания необходимого осевого усилия при бурении породы долотом. What is new is that the housing inside is equipped with a coaxial cup with an impeller made with the possibility of imparting rotation under the action of a liquid flow and equipped with a rod with a worm screw at the end, and each roller is equipped with a gear and mounted at one end of an outwardly spring-loaded lever, the other end of which is equipped with an axis of rotation, fixed inside the housing with a double gear mounted for rotation, one of which is configured to interact with the worm screw, forming a worm gear, and the second through a series of gears with a roller gear to transfer rotation to the roller and ensure the movement of the housing to create the necessary axial effort when drilling rock with a bit.

На фиг. 1 представлен объемный вид устройства в продольном разрезе. In FIG. 1 shows a three-dimensional view of the device in longitudinal section.

На фиг. 2 представлен чертеж устройства в продольном разрезе.In FIG. 2 shows a drawing of the device in longitudinal section.

На фиг. 3 представлен поперечный разрез устройства.In FIG. 3 shows a cross section of the device.

Устройство для создания осевого усилия на долото при бурении горизонтальных скважин содержит цилиндрический полый корпус 1 (фиг. 1 и 2) и подпружиненные к стенкам скважины (не показана) роликов 2, находящимися на определенном расстоянии друг от друга, вращающихся за счет прохождения потока промывочной жидкости в корпусе, закрепления в породе с возможностью проталкивания бурильного инструмента (не показан). Корпус 1 внутри снабжен коаксиальным стаканом 3 с крыльчаткой 4, изготовленной с возможностью придания вращения под действием потока жидкости и оснащенной штоком 5 с червячным винтом 6 на конце, а каждый ролик 2 содержит ряд установленных на нем шестерен, предающих вращение друг другу, при этом крайняя шестерня 10 имеет ось вращения, относительно которой ролик 2 выполнен с возможностью вращения, тем самым выдвигаясь из корпуса 1, прижимаясь к стенкам скважины для создания осевого усилия, ролик 2 оснащен шестерней 7, связанной через ряд шестерен с крайними шестернями 10 и 11, крайняя шестерня 10 выполнена с возможностью взаимодействия с червячным винтом 6, образуя червячную передачу, рычаг 8 одним концом зафиксирован на крайней шестерне 10, а другой конец рычага 8 оснащен осью (не показан) находящейся на втулке 9, установленной соосно со штоком 5.A device for creating an axial force on the bit when drilling horizontal wells contains a cylindrical hollow body 1 (Figs. 1 and 2) and rollers 2 spring-loaded against the walls of the well (not shown), located at a certain distance from each other, rotating due to the passage of the flushing fluid flow in the body, fixed in the rock with the possibility of pushing the drilling tool (not shown). The body 1 is inside equipped with a coaxial cup 3 with an impeller 4 made with the possibility of imparting rotation under the action of a fluid flow and equipped with a rod 5 with a worm screw 6 at the end, and each roller 2 contains a number of gears mounted on it, which rotate each other, while the extreme gear 10 has an axis of rotation, relative to which the roller 2 is rotatable, thereby moving out of the housing 1, pressing against the walls of the well to create an axial force, the roller 2 is equipped with a gear 7 connected through a row of gears with the extreme gears 10 and 11, the extreme gear 10 is configured to interact with the worm screw 6, forming a worm gear, the lever 8 is fixed at one end on the extreme gear 10, and the other end of the lever 8 is equipped with an axle (not shown) located on the sleeve 9, mounted coaxially with the rod 5.

Конструктивные элементы и технологические соединения, не влияющие на работоспособность устройства на чертежах (Фиг. 1 – 3) не показаны или показаны условно. Structural elements and technological connections that do not affect the performance of the device in the drawings (Fig. 1 - 3) are not shown or are shown conditionally.

Устройство для создания осевого усилия на долото при бурении горизонтальных скважин работает следующим образом.A device for creating an axial force on the bit when drilling horizontal wells operates as follows.

На буровой площадке производят сборку КНБК (не показан), состоящую из породоразрушающего инструмента, например, винтового забойного двигателя, опорноцентрирующих устройств, в которую включают устройства для бурения протяженных горизонтальных скважин. Как минимум три устройства (см. фиг. 3) закрепляют в КНБК (не показан) с помощью резьбовых соединений корпусов 1 (фиг. 1 и 2) внутренней и наружной резьбы (не показаны) с поворотом относительно друг друга, обеспечивающем равномерное расположение по периметру толкающих роликов 2. После сборки, КНБК спускают на забой скважины для бурения протяженного горизонтального участка. At the drilling site, a BHA (not shown) is assembled, consisting of a rock cutting tool, for example, a screw downhole motor, support centering devices, which include devices for drilling extended horizontal wells. At least three devices (see Fig. 3) are fixed in the BHA (not shown) using threaded connections of bodies 1 (Figs. 1 and 2) of internal and external threads (not shown) with rotation relative to each other, ensuring a uniform location around the perimeter push rollers 2. After assembly, the BHA is lowered to the bottom of the well to drill an extended horizontal section.

При бурении горизонтальной скважины наблюдается значительное снижение механической скорости бурения, нагрузка на долото (не показано) КНБК снижается. Для исключения снижения нагрузки на долото применяют предлагаемое устройство, в котором жидкость поступает в полость корпуса 1, создав необходимое давление проходя через коаксиальный стакан 3 с крыльчаткой 4, создает вращение штока 5 с червячным винтом 6 на конце. Червячный винт 6, передает вращение шестерне 10, которая соединена с шестерней 11, передающих вращение через ряд зубчатых передач (не обозначен позицией), закрепленных на рычаге 8, вращение шестерне 7 с роликом 2. Так как рычаг 8 подпружинен наружу, то поворачиваясь относительно оси, прижимает ролик 2 к стенкам скважины. При этом ролик 2 толкает корпус 1 и КНБК, снижая сопротивление колонны бурильных труб (не показаны) о стенки скважины и создавая необходимое продольное усилие при бурении на забой долотом, благодаря подбору передаточного числа червячной передачи 6 и 10 и зубчатых передач 11 (эмпирическим путем).When drilling a horizontal well, there is a significant decrease in ROP, weight on bit (not shown) BHA is reduced. To avoid reducing the load on the bit, the proposed device is used, in which the liquid enters the cavity of the body 1, creating the necessary pressure, passing through the coaxial cup 3 with the impeller 4, creates rotation of the rod 5 with a worm screw 6 at the end. Worm screw 6 transmits rotation to gear 10, which is connected to gear 11, transmitting rotation through a series of gears (not indicated by position) mounted on lever 8, rotation to gear 7 with roller 2. Since lever 8 is spring-loaded outward, then turning about the axis , presses roller 2 against the walls of the well. In this case, the roller 2 pushes the body 1 and the BHA, reducing the resistance of the drill string (not shown) against the walls of the well and creating the necessary longitudinal force when drilling to the bottomhole with a bit, due to the selection of the gear ratio of the worm gear 6 and 10 and gears 11 (empirically) .

Скорость вращения роликов 2 может контролироваться с помощью расхода промывочной жидкости, проходящих внутри корпуса 1. The speed of rotation of the rollers 2 can be controlled by the flow rate of the flushing liquid passing inside the housing 1.

Предлагаемое устройство имеет простую конструкцию, что позволяет произвести его сборку в полевых условиях, и снизить затраты. Многофункциональность устройства определяется, за счет возможности одновременно толкать КНБК и проводить замеры положения ствола скважины. Сокращает аварийные ситуации, снижая коэффициент трения бурильной колонны о стенки скважины и позволяя довести максимальную нагрузку до долота. Увеличивает эффективность бурения, снижает энергозатраты, повышает эффективность и надежность бурения, обеспечивает высокие технико-экономические показатели строительства скважин. The proposed device has a simple design, which allows it to be assembled in the field and reduce costs. The versatility of the device is determined by the ability to simultaneously push the BHA and measure the position of the wellbore. Reduces emergency situations by reducing the coefficient of friction of the drill string against the walls of the well and allowing you to bring the maximum load to the bit. Increases drilling efficiency, reduces energy costs, improves drilling efficiency and reliability, ensures high technical and economic indicators of well construction.

Claims

A device for creating an axial force on the bit when drilling horizontal wells, comprising a cylindrical body and rollers spring-loaded to the walls of the well, located at a certain distance from each other, retractable due to the passage of the flushing fluid flow, with the possibility of fixing in the walls of the well and with the possibility of pushing the drilling tool , characterized in that the housing inside is equipped with a coaxial cup with an impeller made with the possibility of imparting rotation under the action of a fluid flow and equipped with a rod with a worm screw at the end, each roller contains a number of gears mounted on it, transmitting rotation to each other, while the outer gear has axis of rotation, relative to which the roller is rotatable, thereby moving out of the housing, pressing against the walls of the well to create an axial force, the outer gear is operable to interact with the worm screw at the end of the rod, forming a worm gear, a lever one end is fixed on the extreme gear, and the other end of the lever is equipped with an axis of rotation located on a sleeve mounted coaxially with the rod, the lever is spring-loaded outward with the possibility of extending the roller relative to the body.