RU2457310C2

RU2457310C2 - Guide system and directed drilling system containing this system

Info

Publication number: RU2457310C2
Application number: RU2010129955/03A
Authority: RU
Inventors: Майкл ШЕФЕРД (GB); Майкл ШЕФЕРД
Original assignee: Шлюмбергер Текнолоджи Б.В.
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2012-07-27
Also published as: RU2010129955A

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: guide system includes the first rotating housing and the second rotating housing connected to the first one by means of adjustable connection. In chamber formed by protection cover and the first housing there is installed cammed element in the form of swash plate which attitude may be adjusted. At that, the cover is provided with a set of linear drives designed with possibility of swash plate orientation against the cover. The other side of cammed plate contacts a set of cammed tracking elements, each of them contains tracking piston contacting with driving piston of larger diameter and push rod. The structure is designed with possibility of control of the second housing orientation against the first one due to transmission of motion to the second rotating housing through cammed tracking element inducing displacement of driving pistons connected to it.

EFFECT: possibility of keeping of the second rotating housing axis of rotation in steady position during rotation of the first and second rotating housings.

16 cl, 2 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к направляющей системе и системе направленного бурения, содержащей данную систему.The present invention relates to a guiding system and a directional drilling system comprising this system.

В области формирования скважин обычно для последующего использования при извлечении углеводородов применять направляемую буровую систему для управления траекторией скважины. Известно довольно много систем направленного бурения. Например, известны системы, в которых смещающий узел расположен близко к буровому долоту, при этом смещающий узел способен прилагать в боковом направлении усилие к буровому долоту, заставляя его отклоняться от оси скважины в требуемом направлении. Другая форма системы направленного бурения включает в себя механизм отклонения, который монтируется в буровое долото, при этом управляемость системы достигается управлением ориентацией механизма отклонения для обеспечения направления бурового долота в требуемом направлении. В некоторых компоновках отклоняющий механизм является регулируемым для управления направлением и углом бурового долота. В других компоновках отклоняющий механизм имеет фиксированный наклон и изменение направления, в котором направлено буровое долото, достигается управлением углового положения отклоняющего механизма.In the field of well formation, it is common to use a guided drilling system to control the path of a well for subsequent use in hydrocarbon recovery. Many directional drilling systems are known. For example, systems are known in which the biasing unit is located close to the drill bit, while the biasing unit is able to exert a lateral force on the drill bit, causing it to deviate from the well axis in the desired direction. Another form of directional drilling system includes a deflection mechanism that is mounted in the drill bit, while controllability of the system is achieved by controlling the orientation of the deflection mechanism to provide direction of the drill bit in the desired direction. In some configurations, the deflection mechanism is adjustable to control the direction and angle of the drill bit. In other arrangements, the deflecting mechanism has a fixed inclination and a change in the direction in which the drill bit is directed is achieved by controlling the angular position of the deflecting mechanism.

Целью настоящего изобретения является создание простой и удобной системы направленного бурения.The aim of the present invention is to provide a simple and convenient directional drilling system.

Согласно изобретению создана направляющая система, предназначенная для использования, например, при бурении и содержащая первый вращающийся корпус, второй вращающийся корпус, присоединенный к первому вращающемуся корпусу посредством регулируемого соединения, кулачковый элемент, удерживаемый от вращения при использовании, кулачковый следящий элемент, взаимодействующий с кулачковым элементом и содержащий следящие поршни, способные совершать возвратно-поступательные движения в соответствующем канале, образованном в первом корпусе, и вызывать перемещение связанных с ними ведущих поршней, имеющих диаметр, превышающий диаметр следящих поршней, таким образом, что каждый ведущий поршень способен перемещаться на меньшее расстояние по сравнению с соответствующим следящим поршнем при воздействии на него соответствующего следящего поршня, причем ведущие поршни способны перемещаться для приведения в движение второго вращающегося корпуса относительно первого вращающегося корпуса вокруг регулируемого соединения.According to the invention, a guiding system is designed for use, for example, during drilling and comprising a first rotatable housing, a second rotatable housing connected to the first rotatable housing by means of an adjustable connection, a cam element that is kept from rotation when used, a cam follower interacting with the cam element and containing tracking pistons capable of reciprocating in the corresponding channel formed in the first housing, cause the movement of associated driving pistons having a diameter greater than the diameter of the tracking pistons, so that each driving piston is able to move a smaller distance compared to the corresponding tracking piston when exposed to a corresponding tracking piston, and the driving pistons are able to move to bring in the movement of the second rotating housing relative to the first rotating housing around the adjustable connection.

Такая компоновка имеет преимущество в том, что ось вращения второго вращающегося корпуса может удерживаться практически в неизменном положении во время вращения первого и второго вращающихся корпусов. Буровое долото, располагаемое при бурении на втором корпусе, может, таким образом, удерживаться в требуемом направлении во время проведения бурения.Such an arrangement has the advantage that the axis of rotation of the second rotating housing can be held substantially unchanged during rotation of the first and second rotating bodies. The drill bit located during drilling on the second body can thus be held in the desired direction during drilling.

Первый и второй вращающиеся корпусы могут быть соединены друг с другом таким образом, что вращение первого корпуса передается второму корпусу. Система может дополнительно содержать механизм сцепления, обеспечивающий вращение первого корпуса относительно второго корпуса. Механизм сцепления может содержать кулачковую муфту.The first and second rotating bodies can be connected to each other so that the rotation of the first body is transmitted to the second body. The system may further comprise a clutch mechanism that rotates the first housing relative to the second housing. The clutch mechanism may include a cam clutch.

Кулачковый элемент может быть прикреплен к кожуху, окружающему, по меньшей мере, часть первого корпуса и удерживаемому от вращения при нормальном использовании. Кожух может содержать стабилизатор. Система может содержать сферический подшипник для опоры кулачкового элемента относительно кожуха.The cam element may be attached to a casing surrounding at least a portion of the first housing and kept from rotation during normal use. The casing may contain a stabilizer. The system may include a spherical bearing for supporting the cam element relative to the casing.

Система может содержать, по меньшей мере, один линейный привод для приведения в действие кулачкового элемента для перемещения относительно кожуха для регулировки его положения. Линейный привод может быть электрическим приводом, электромагнитным приводом или гидравлическим приводом.The system may include at least one linear actuator for actuating the cam element to move relative to the casing to adjust its position. The linear actuator may be an electric actuator, an electromagnetic actuator, or a hydraulic actuator.

Кулачковый элемент может иметь форму наклонного диска.The cam element may be in the form of an inclined disk.

Система может содержать толкающие штанги, связанные со вторым корпусом для передачи перемещения ведущих поршней второму корпусу. Толкающие штанги могут быть выровнены с соответствующими следящими поршнями. В такой компоновке второй корпус будет наклонен относительно первого корпуса в том же направлении, что и кулачковый элемент, но угол наклона будет меньше.The system may include push rods associated with the second housing to transmit movement of the driving pistons to the second housing. The push rods can be aligned with the respective follower pistons. In this arrangement, the second housing will be inclined relative to the first housing in the same direction as the cam element, but the angle of inclination will be smaller.

Согласно изобретению создана также система направленного бурения, содержащая вышеописанную направляющую систему, двигатель для приведения во вращение первого корпуса направляемой системы и буровое долото, прикрепленное ко второму корпусу.The invention also created a directional drilling system containing the above-described guide system, an engine for driving the first housing of the guided system into rotation, and a drill bit attached to the second housing.

Далее изобретение будет описано в качестве примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which the following is depicted:

фиг.1 является схематическим видом системы направленного бурения, включающей в себя направляющую систему одного варианта осуществления изобретения;1 is a schematic view of a directional drilling system including a guiding system of one embodiment of the invention;

фиг.2 является видом увеличенного сечения, иллюстрирующим систему на фиг.1.FIG. 2 is an enlarged sectional view illustrating the system of FIG. 1.

На приложенных чертежах проиллюстрирована система направленного бурения скважины. Система содержит буровую колонну 10, поддерживающую несколько скважинных компонентов. Буровая колонна 10 поддерживается на поверхности буровой вышкой, выполняющей как функцию поддержки, так и вращения буровой колонны 10.The accompanying drawings illustrate a directional well drilling system. The system comprises a drill string 10 supporting several downhole components. The drill string 10 is supported on the surface of the drill tower, performing both a support function and rotation of the drill string 10.

Буровая колонна 10 несет несколько промежуточных стабилизирующих узлов 12 и на своем нижнем конце несет компоновку 14 низа буровой колонны. Компоновка 14 низа бурильной колонны включает в себя скважинный двигатель 16, направляющую систему 18 и буровое долото 20. При использовании двигатель 16 приводит во вращение буровое долото 20. Вращение бурового долота 20 в комбинации с весом, приложенным к буровому долоту, заставляет буровое долото 20 цеплять, скрести или сдирать материал формации, в которой формируется скважина, углубляя скважину.The drill string 10 carries several intermediate stabilizing nodes 12 and at its lower end carries the layout 14 of the bottom of the drill string. The bottom of the drill string assembly 14 includes a downhole motor 16, a guide system 18, and a drill bit 20. In use, the engine 16 drives the drill bit 20. The rotation of the drill bit 20, in combination with the weight applied to the drill bit, causes the drill bit 20 to cling , scrape or strip off the material of the formation in which the well is formed, deepening the well.

Несмотря на то, что проиллюстрированная компоновка использует скважинный двигатель, возможны компоновки, в которых буровое долото приводится в движение вращением буровой колонны.Although the illustrated arrangement uses a downhole motor, arrangements are possible in which the drill bit is driven by rotation of the drill string.

Работа направляющей системы 18 гарантирует, что во время проведения бурения буровое долото 20 удерживается в желаемой ориентации, управляя, таким образом, направлением, в котором проходит скважина.The operation of the guide system 18 ensures that while drilling the drill bit 20 is held in the desired orientation, thus controlling the direction in which the well passes.

Как показано на фиг.2, направляемая система 18 содержит первый вращающийся корпус 22, соединенный с выходом скважинного двигателя 16 для приведения им во вращение. Второй вращающийся корпус 24 подсоединен к первому корпусу 22 с помощью регулируемого соединения 26, например, в форме карданного шарнира или вертлюга. Соединение 26 включает в себя частично сферический опорный подшипник 28, позволяющий передавать нагрузки в осевом направлении от первого корпуса 22 ко второму корпусу 24, одновременно позволяя регулировать угол оси 24а второго корпуса 24 относительно первого корпуса 22.As shown in FIG. 2, the guided system 18 comprises a first rotatable housing 22 connected to the output of the downhole motor 16 to bring it into rotation. The second rotating housing 24 is connected to the first housing 22 by means of an adjustable connection 26, for example, in the form of a cardan joint or swivel. The connection 26 includes a partially spherical pillow block bearing 28, which allows axial loads to be transferred from the first housing 22 to the second housing 24, while allowing the angle of the axis 24a of the second housing 24 to be adjusted relative to the first housing 22.

Разъемная компоновка передачи вращающего момента в форме кулачковой муфты 30 расположена между первым и вторым корпусами 22, 24 так, что, когда требуется, вращение первого корпуса 22 вокруг его оси может быть передано второму корпусу 24, при этом отключение кулачковой муфты 30 позволяет первому корпусу 22 вращаться независимо от второго корпуса 24.A detachable torque transmission arrangement in the form of a cam clutch 30 is located between the first and second housings 22, 24 so that, when required, the rotation of the first housing 22 around its axis can be transmitted to the second housing 24, while disabling the cam coupling 30 allows the first housing 22 rotate independently of the second body 24.

Осевой канал 32 проходит через первый корпус 22 и соединение 26 к каналу 34, выполненному во втором корпусе 24 для перемещения бурового раствора через направляющую систему 18.The axial channel 32 passes through the first housing 22 and the connection 26 to the channel 34 made in the second housing 24 for moving the drilling fluid through the guide system 18.

Стабилизирующий кожух 36 окружает часть первого корпуса 22. Кожух 26 упирается в стенку скважины и остается практически зафиксированным от вращения при работе. Кожух 36 прикреплен к первому корпусу 22 с помощью подшипников 38, которые также служат уплотнениями, позволяя первому корпусу 22 вращаться, в то время как кожух 36 остается зафиксированным от вращения. Кожух 36 и первый корпус 22 вместе образуют камеру 40, внутри которой расположен кулачковый элемент в форме наклонного диска 42. Наклонный диск 42 закреплен шпонкой 20 и/или шлицем на кожухе 36 так, что при нормальном использовании он удерживается от вращения. Особенностью соединения между наклонным диском 42 и корпусом 36 является то, что угловая ориентация наклонного диска 42 может регулироваться. Сферический подшипник 44 размещен между внутренней частью наклонного диска 42 и смежной частью первого корпуса 22 для обеспечения такого перемещения, одновременно удерживая наклонный диск 42. Набор линейных приводов 46 смонтирован на кожухе 36 и касается наклонного диска 42, при этом линейные приводы 46 способны работать под управлением подходящей системы управления (не показана) для регулирования ориентации наклонного диска 42 по отношению к кожуху 36. Линейные приводы 46 могут принимать множество форм. Например, они могут иметь электрический или электромагнитный привод или, в качестве альтернативы, они могут иметь гидравлический привод.The stabilizing casing 36 surrounds part of the first casing 22. The casing 26 abuts against the wall of the well and remains practically fixed from rotation during operation. The casing 36 is attached to the first casing 22 by bearings 38, which also serve as seals, allowing the first casing 22 to rotate while the casing 36 remains fixed against rotation. The casing 36 and the first casing 22 together form a chamber 40, inside which a cam element in the form of an inclined disk 42 is located. The inclined disk 42 is secured with a key 20 and / or a slot on the casing 36 so that it is prevented from rotating during normal use. A feature of the connection between the inclined disk 42 and the housing 36 is that the angular orientation of the inclined disk 42 can be adjusted. A spherical bearing 44 is placed between the inner part of the inclined disk 42 and the adjacent part of the first housing 22 to provide such movement while holding the inclined disk 42. A set of linear drives 46 is mounted on the casing 36 and touches the inclined disk 42, while the linear drives 46 are able to be controlled a suitable control system (not shown) for adjusting the orientation of the tilt disc 42 with respect to the housing 36. The linear actuators 46 can take many forms. For example, they can be electrically or electromagnetically driven or, alternatively, they can be hydraulically driven.

Другая сторона наклонного диска 42, по отношению к той, которая взаимодействует с линейными приводами 46, контактирует с набором кулачковых следящих элементов 48. Каждый из следящих элементов 48 содержит следящий поршень 50 сравнительно маленького диаметра, который опирается на наклонный диск 42 и может совершать возвратно-поступательные движения в соответствующем канале 52, образованном в первом корпусе 22. Отверстие 52 открывается в отверстие 54 большего диаметра, в котором может совершать возвратно-поступательные движения ведущий поршень большего диаметра. С такой компоновкой движение следящего поршня 50 следящего элемента вызывает движение связанного с ним ведущего поршня 56 в том же направлении. Ведущий поршень 56 будет двигаться на меньшее расстояние, чем следящий поршень 50, но способен прилагать большую силу вследствие увеличения выигрыша в силе.The other side of the inclined disk 42, in relation to that which interacts with the linear actuators 46, is in contact with a set of cam followers 48. Each of the followers 48 contains a follower piston 50 of a relatively small diameter, which rests on the inclined disk 42 and can reciprocate translational motion in the corresponding channel 52 formed in the first housing 22. The hole 52 opens into the hole 54 of a larger diameter, in which the driving piston can be reciprocating larger diameter. With this arrangement, the movement of the servo piston 50 of the servo element causes the associated piston 56 to move in the same direction. The lead piston 56 will move a smaller distance than the follower piston 50, but is able to exert greater force due to the increase in gain in force.

Набор толкающих штанг 58 опирается на ведущие поршни 56, передавая их движение второму корпусу 24.A set of push rods 58 is based on the driving pistons 56, transmitting their movement to the second housing 24.

При использовании в положении, показанном на фиг.2, наклонный диск 42 находится под углом относительно первого корпуса 22, и второй корпус 24 наклонен относительно первого корпуса 22 в том же направлении, что и наклонный диск 42, но на меньший угол. Из этого положения вращение первого корпуса 22 вследствие работы двигателя 16 заставляет следящие поршни 50 подниматься вверх и над наклонным диском 42, при этом каждый из поршней 50 толкается дальше в соответствующие каналы 52 вследствие их движения над наклонным диском 42. Движение следящих поршней 50 передается при помощи текучей среды в каналах 52, 54 связанным с ними ведущим поршням 56, выдвигая толкающие штанги 58 и заставляя второй корпус 24 наклоняться относительно соединения 26. Достигаемое наклонное движение второго корпуса 24 приводит в движение штанги 58 и приводит в обратное движение поршни 56, 50 на диаметрально противоположной стороне направляемой системы в направлении втянутого положения. Следует понимать, что это действие гарантирует, что ось вращения 24а второго корпуса 24 удерживается практически неподвижно в пространстве во время вращения первого и второго корпусов 22, 24. Следовательно, буровое долото 20 удерживается в требуемой ориентации во время осуществления бурения.When used in the position shown in FIG. 2, the tilted disk 42 is angled relative to the first casing 22, and the second casing 24 is tilted relative to the first casing 22 in the same direction as the tilted disk 42, but by a smaller angle. From this position, the rotation of the first housing 22 due to the operation of the engine 16 causes the servo pistons 50 to rise upward and above the inclined disk 42, while each of the pistons 50 is pushed further into the respective channels 52 due to their movement above the inclined disk 42. The movement of the servo pistons 50 is transmitted by fluid in the channels 52, 54 of the associated driving pistons 56, pushing the push rods 58 and causing the second body 24 to tilt relative to the connection 26. The achieved oblique movement of the second body 24 drives the rod 58 and reverses the pistons 56, 50 on the diametrically opposite side of the guided system in the direction of the retracted position. It should be understood that this action ensures that the axis of rotation 24a of the second body 24 is held substantially stationary in space during the rotation of the first and second bodies 22, 24. Therefore, the drill bit 20 is held in the desired orientation during drilling.

Необходимая регулировка положения наклонного диска 42 с помощью линейных приводов 46 может быть использована для регулирования степени наклона второго корпуса 24 относительно первого корпуса 22 и для регулирования направления или ориентации оси вращения 24а второго корпуса 24 относительно первого корпуса 22. Следует понимать, что путем необходимого управления положением наклонного диска с использованием линейных приводов 46 можно управлять направлением бурения направляемой буровой системы.The necessary adjustment of the position of the inclined disk 42 using linear actuators 46 can be used to adjust the degree of inclination of the second housing 24 relative to the first housing 22 and to regulate the direction or orientation of the axis of rotation 24a of the second housing 24 relative to the first housing 22. It should be understood that by necessary control of the position the inclined disk using linear actuators 46 can control the direction of drilling guided drilling system.

Выигрыш в силе благодаря особенности средства кулачкового следящего элемента гарантирует, что сила достаточно большой величины будет доступна для отклонения или наклонения второго корпуса 24 в требуемое направление, даже когда прилагается большая нагрузка, препятствующая такому движению.The gain in strength due to the particular means of the cam follower means that a force of a sufficiently large magnitude will be available to deflect or tilt the second housing 24 in the desired direction, even when a large load is imposed, preventing this movement.

Следует понимать, что широкий диапазон модификаций и изменений может быть выполнен для описанной выше компоновки без выхода из объема изобретения.It should be understood that a wide range of modifications and changes can be made to the above configuration without departing from the scope of the invention.

Claims

1. A guide system for use, for example, during drilling, and comprising a first rotatable housing, a second rotatable housing connected to the first rotatable housing by means of an adjustable connection, a cam member that is prevented from being rotated during use, a cam follower cooperating with the cam member and comprising tracking pistons capable of reciprocating in the corresponding channel formed in the first housing and causing movement associated with them leading pistons having a diameter greater than the diameter of the servo pistons, so that each leading piston is able to move a smaller distance compared to the corresponding servo piston when exposed to a corresponding servo piston, the lead pistons being able to move to propel the second a rotating housing relative to the first rotating housing, around an adjustable connection.

2. The system according to claim 1, in which the first and second rotating bodies are connected to each other so that the rotation of the first body is transmitted to the second body.

3. The system of claim 2, further comprising a clutch mechanism that rotates the first housing relative to the second housing.

4. The system according to claim 3, in which the clutch mechanism comprises a cam clutch.

5. The system according to claim 1, in which the cam element is attached to the casing surrounding at least part of the first housing and kept from rotation during normal use.

6. The system according to claim 5, in which the casing contains a stabilizer.

7. The system according to claim 5 or 6, which contains a spherical bearing for supporting the cam element relative to the casing.

8. The system according to claim 5 or 6, which contains at least one linear actuator for actuating the cam element to move relative to the casing to adjust its position.

9. The system of claim 8, wherein the linear actuator is an electric actuator, an electromagnetic actuator, or a hydraulic actuator.

10. The system according to one of paragraphs.5, 6, 9, in which the cam element has the shape of an inclined disk.

11. The system according to claim 1, which contains push rods associated with the second housing for transmitting the movement of the driving pistons to the second housing.

12. A directional drilling system comprising a guided system according to any one of claims 1 to 11, an engine for rotating the first housing of the guided system and a drill bit attached to the second housing.