Отклоняющее устройство для бурения ответвлений из горизонтального ствола скважины
DEFLECTING DEVICE FOR DRILLING OF BRANCHES FROM HORIZONTAL BOREHOLE

Изобретение относится к области бурения искривленных ответвлений из необсаженного горизонтального ствола скважины и представляет собой отклоняющее устройство.
Известно устройство для многозабойного вскрытия пласта одной скважиной (патент RU №2064041, МПК Е21В 7/08, опубл. 20.07.1996 г., в бюл. №20), содержащее патрубок, связанный с корпусом и выполненный с посадочной муфтой под извлекаемый клин, боковыми продольными окнами и наружным манжетным пакером над боковыми продольными окнами. Извлекаемый клин выполнен с дном, перпендикулярным его оси, и ориентирующим фиксатором, жестко связанным с дном и выполненным с возможностью регулирования радиального угла между ориентирующим фиксатором и отклоняющей плоскостью извлекаемого клина. Ориентирующий фиксатор выполнен в виде направляющей втулки с кольцевой посадочной площадкой и шпоном. Посадочная муфта выполнена с ответным внутренним опорным выступом. Кроме этого, бурильная колонна в нижней части выполнена с патрубком-корпусом, в нижней части которого размещен обратный клапан, а над ним - циркуляционный клапан. При этом патрубок-корпус выполнен с кольцевым посадочным поясом и шпоном под посадочную муфту и радиальными отверстиями, перекрытыми втулкой со срезным штифтом. Обсадная колонна на устье выполнена с боковыми отводами, оснащенными задвижками, сообщающими ее заколонное и внутриколонное пространство с внешним пространством на устье.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей (посадочная муфта, обратный и циркуляционные клапаны, патрубок-корпус с кольцевым посадочным поясом и шпоном под посадочную муфту и т.д.);
- во-вторых, сложность ориентирования устройства из-за несовершенства его конструкции, а также трудоемкость и длительность работ по ориентированию устройства;
- в-третьих, низкая эффективность выполнения ответвлений, обусловленная неконтролируемым азимутальным положением устройства, т.е. исключается направленное вскрытие пласта;
- в-четвертых, высокая металлоемкость конструкции.
Известно отклоняющее устройство для бурения (патент RU №2118440, МПК Е21В 7/08, опубл. 27.08.1998 г., в бюл. №24), содержащее трубу с открытыми концами, снабженную на своем верхнем конце соединительным средством для присоединения трубы с открытыми концами к колонне обсадных труб, и направляющий элемент, расположенный в трубе с открытыми концами у ее нижнего конца. Направляющий элемент включает две полые наклонные направляющие, расположенные на противоположных сторонах. Стенка трубы с открытыми концами имеет удлиненные отверстия, обращенные к наклонным направляющим. Также устройство содержит гильзу, имеющую отклоняющую поверхность, которая стыкуется с одной из двух наклонных направляющих отклоняющего устройства.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей (стыкующий элемент, гильза, хвостовая секция, основание, две наклонных направляющих, центраторы, клинообразная часть и т.д.);
- во-вторых, сложность процесса ориентации бурового инструмента в горизонтальном стволе скважины, связанная с наличием в одном устройстве двух наклонных направляющих. Так, для ориентирования устройства при повторном вводе нужен стыкующий элемент, расположенный в нижней концевой части гильзы с открытыми концами, причем стыкующий элемент имеет основание, позволяющее ему опираться на направляющий элемент, и включает клинообразную часть, обеспечивающую возможность установки стыкующего элемента в заранее определенное положение по отношению к одной из двух наклонных направляющих. Все это затрудняет направление бурового инструмента в требуемую наклонную направляющую (одну из двух), что создает трудности при ориентации ответвления;
- в-третьих, высокая вероятность отклонения компоновки от заданной глубины при забуривании ответвления, а также нарушения геометрии траектории ответвления от запланированной в процессе бурения. Это связано с тем, что отклоняющее устройство не зафиксировано относительно ствола скважины, поэтому в процессе бурения ответвления происходит радиальное перемещение отклоняющего устройства относительно оси горизонтальной скважины;
- в-четвертых, наличие двух наклонных направляющих для бурения ответвлений из одного интервала горизонтального ствола скважины повышает вероятность вскрытия водоносной части пласта, что чревато преждевременным обводнением скважины;
- в-пятых, высокая вероятность отказа устройства в работе после бурения 2-3 ответвлений. Это связано с быстрым износом наклонных направляющих, выполненных из мягкой стали. Кроме того, при забуривании ответвления фрез-долото опускают в направляющую с вращением, что приводит к фрезерованию торца направляющей и образованию ступени, которая затрудняет попадание вращающегося фрез-долота в направляющую при последующих работах;
- в-шестых, высокая вероятность прихвата бурильной компоновки при ее извлечении направляющим элементом отклоняющего устройства.
Техническими задачами изобретения являются упрощение конструкции отклоняющего устройства и повышение эффективности процесса ориентации бурового инструмента в горизонтальном стволе скважины, исключение нарушения геометрии траектории ответвления от запланированной в процессе бурения и вскрытия ответвлением водоносной части пласта, исключение фрезерования торца направляющего элемента и износа направляющего элемента в процессе работы, а также исключение прихвата бурильной компоновки при ее извлечении направляющим элементом отклоняющего устройства.
Поставленные технические задачи решаются отклоняющим устройством для бурения ответвлений из горизонтального ствола скважины, содержащим трубу с открытыми концами, снабженную на своем верхнем конце присоединительной резьбой для присоединения трубы к колонне труб, и направляющий элемент, расположенный в трубе с открытыми концами.
Новым является то, что на входе направляющий элемент имеет конусную поверхность, сужающуюся снаружи внутрь под углом 10°, за конусной поверхностью направляющий элемент выполнен в форме продольного дугообразного желоба с углом наклона рабочей поверхности 4°, причем направляющий элемент выполнен из легированной стали, а поверхность продольного дугообразного желоба направляющего элемента упрочнена азотированием, при этом в трубе напротив продольного дугообразного желоба направляющего элемента выполнен продольный вырез под углом 135°, причем направляющий элемент жестко закреплен в трубе и смещен относительно передней кромки продольного выреза трубы на расстояние 1,5 м, причем передняя кромка продольного выреза трубы оснащена вставкой, выполненной в виде сегмента с конусной поверхностью, сужающейся снаружи внутрь под углом 30°, вставка жестко присоединена к передней кромке продольного выреза трубы, при этом на трубе на равном расстоянии от ее концов и под углом 180° относительно вертикальной оси продольного дугообразного желоба жестко закреплен фиксатор, который выполнен в виде сегмента обечайки, при этом в нижней части направляющего элемента выполнено технологическое центральное отверстие, не пересекающее продольный дугообразный желоб направляющего элемента, причем на нижнем конце трубы выполнена присоединительная резьба, с помощью которой она соединена со спиральной утяжеленной бурильной трубой и оборудованием для геофизической навигации.
На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство в продольном разрезе.
На фиг. 2 схематично изображен вид снизу.
На фиг. 3 схематично изображено сечение А-А.
На фиг.4 схематично изображено сечение А-А в повернутом положении.
Отклоняющее устройство для бурения ответвлений из горизонтального ствола скважины содержит трубу 1 (фиг. 1) с открытыми концами, снабженную на своем верхнем конце присоединительной резьбой 2 для присоединения трубы к колонне труб (на фиг. 1-4 не показана), и направляющий элемент 3 (фиг. 1 и 2), расположенный в трубе 1 с открытыми концами. На входе направляющий элемент 3 имеет конусную поверхность 4, сужающуюся снаружи внутрь под углом 10°. За конусной поверхностью 4 направляющий элемент 3 выполнен в форме продольного дугообразного желоба 5 с углом наклона рабочей поверхности 4°. Направляющий элемент 3 выполнен из легированной стали, например, марки 40Х. Поверхность продольного дугообразного желоба 5 направляющего элемента 3 упрочнена азотированием, например, до твердости поверхности 600-650 HV.
В трубе 1 напротив продольного дугообразного желоба 5 направляющего элемента 3 выполнен продольный вырез 6 под углом 135° (фиг. 1 и 3), причем направляющий элемент 3 (фиг. 1-4) жестко закреплен в трубе 1, например, с помощью штифтов или сварного соединения и смещен относительно передней кромки продольного выреза 6 трубы 1 на расстояние А=1,5 м (фиг. 1).
Передняя кромка продольного выреза 6 трубы 1 оснащена вставкой 7, выполненной в виде сегмента с конусной поверхностью, сужающейся снаружи внутрь под углом 30°. Вставка 7 жестко присоединена к передней кромке продольного выреза трубы, например, с помощью сварного соединения.
На трубе 1 (фиг. 1 и 3) на равном расстоянии L/2 от ее концов и под углом 180° относительно вертикальной оси продольного дугообразного желоба 5 жестко закреплен фиксатор 8, например, с помощью сварного соединения. Фиксатор 8 выполнен в виде сегмента обечайки, например, размером 1000×200 мм. Так, при длине L трубы, равной 4 м, центр фиксатора 8 будет располагаться на расстоянии L/2=4 м/2=2 м от концов трубы 1.
В нижней части направляющего элемента 3 (фиг. 1 и 2) выполнено центральное отверстие 9, не пересекающее продольный дугообразный желоб 5 направляющего элемента 3. На нижнем конце трубы 1 выполнена присоединительная резьба 10 (фиг. 1), к которой присоединена спиральная утяжеленная бурильная труба (на фиг. 1-4 не показана), например, диаметром 127 мм, причем снизу спиральная утяжеленная бурильная труба соединена с оборудованием для геофизической навигации.
Фиксатор 8 совместно со спиральной утяжеленной бурильной трубой предназначены для фиксации предлагаемого устройства в стволе горизонтальной скважины от проворота отклоняющего устройства при бурении ответвлений из горизонтального ствола скважины.
Отклоняющее устройство для бурения ответвлений из горизонтального ствола скважины работает следующим образом.
Перед спуском отклоняющего устройства в скважину на его нижний конец посредством резьбы 10 (фиг. 1) присоединяют спиральную утяжеленную бурильную трубу, соединенную снизу с оборудованием для геофизической навигации.
В качестве оборудования для геофизической навигации применяют, например, забойную телеметрическую систему ЗТС-54ЭМ (с дистанционной передачей данных без использования кабеля), которая предназначена для контроля и оперативного управления траекторией ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин малого диаметра в процессе бурения. В телесистеме предусмотрена возможность установки датчиков для геофизических измерений в процессе бурения. В состав скважинного оборудования входят турбогенератор, модуль управления и связи с передающим устройством, модуль инклинометрических преобразований, электрический проводной разделитель, электрический корпусной разделитель, соединительные штанги. В состав наземного приемно-обрабатывающего комплекса входят Notebook, устройство сопряжения с объектом линии связи. На верхний конец отклоняющего устройства посредством присоединительной резьбы 2 присоединяют колонну насосно-компрессорных труб (НКТ), например, диаметром 89 мм (на фиг. 1-4 не показана).
Отклоняющее устройство на колонне НКТ диаметром 89 мм спускают в открытый горизонтальный ствол скважины в ближайший от забоя скважины интервал зарезки (бурения ответвления). Перед ориентированием отклоняющего устройства снимают эффект "пружины" путем перемещения оборудования от интервала зарезки сначала вверх на 10 м, а затем вниз на 10 м.
С устья скважины с помощью оборудования для геофизической навигации производят ориентирование отклоняющего устройства по азимуту в направлении, необходимом для бурения ответвления.
С устья скважины, например, с помощью гидравлического ключа ГКШ 1500 МТ поворачивают вправо колонну НКТ диаметром 89 мм совместно с отклоняющим устройством, спиральной утяжеленной бурильной трубой и оборудованием для геофизической навигации с последующим расхаживанием и выдержкой до достижения запланированного направления на угол, определяемый по сигналу геофизической навигации, например на 130° (вниз вправо), при этом направляющий элемент 3 также поворачивается вправо (на фиг. 1-4 не показано). Например, на устье скважины на верхней трубе колонны НКТ диаметром 89 мм выполняют мелом метки через каждые 10°. Затем каждый раз с устья скважины поворачивают колонну НКТ диаметром 89 мм на 10°, далее производят расхаживание колонны НКТ диаметром 89 мм: вверх на 5 м, вниз на 10 м и вновь вверх на 5 м, после чего осуществляют выдержку в течение 5 мин. При отсутствии сигнала на приемно-обрабатывающем комплексе, размещенном на устье скважины, вышеописанные операции повторяют ступенчато необходимое количество раз до дохождения сигнала на устье скважины, т.е. до достижения запланированного угла поворота 130° (фиг. 4).
Благодаря геофизической навигации в процессе ориентирования отклоняющего устройства по азимуту в направлении, необходимом для бурения ответвления, на поверхности земли сигнал принимается как разность потенциалов, возникающая вследствие растекания тока по горной породе вокруг корпусного электрического разделителя между колонной НКТ диаметром 89 мм и приемной антенной.
Наличие центрального отверстия 9, выполненного на нижнем конце направляющего элемента 3, позволяет минимизировать искажение сигнала, подаваемого дистанционно с оборудования для геофизической навигации на устье скважины.
Далее в колонну НКТ диаметром 89 мм спускают следующую бурильную компоновку снизу вверх: фрез-долото, например, диаметром 68 мм, винтовой забойный двигатель (ВЗД) диаметром 54 мм, колонну гибких труб, например, диаметром 44 мм. За 10 м до достижения компоновкой отклоняющего устройства останавливают спуск компоновки. Подают жидкость в колонну гибких труб и запускают ВЗД, приводящий во вращательное движение фрез-долото. Фрез-долото с вращением сначала попадает на конусную поверхность 4, сужающуюся снаружи внутрь направляющего элемента 3 (фиг. 1 и 2) с углом 10°. Угол 10° за счет скольжения направляет вращающийся фрез-долото на продольный дугообразный желоб 5 с углом наклона рабочей поверхности 4°. Таким образом, конусная поверхность 4 исключает фрезерование торца направляющего элемента 3, что позволяет избежать формирования ступени на входе в направляющий элемент 3. Продольный желоб 5 направляющего элемента 3 выполнен дугообразным, что облегчает прохождение вращающегося фрез-долота через отклоняющее устройство.
Далее вращающееся фрез-долото по направляющему элементу 3 отклоняется вправо с углом наклона рабочей поверхности 4° и забуривается в породу пласта.
Затем через отклоняющее устройство проходит вся вышеуказанная компоновка, спущенная на колонне гибких труб, и производится бурение ответвления в породе пласта, например, длиной 100 м. После выполнения бокового ответвления отклоняющее устройство для бурения ответвлений из горизонтального ствола скважины перемещается с помощью колонны НКТ диаметром 89 мм в сторону устья скважины в другой интервал для выполнения следующего бокового ответвления, где вышеописанные операции повторяются или устройство извлекается из скважины.
В процессе бурения ответвления фиксатор 8 (фиг. 1 и 3) исключает проворот отклоняющего устройства в горизонтальном стволе скважины. Предлагаемое отклоняющее устройство для бурения ответвлений из горизонтального ствола скважины имеет простую конструкцию, а благодаря наличию оборудования для геофизической навигации в составе устройства упрощается процесс ориентации бурового инструмента в горизонтальном стволе скважины.
Наличие в составе устройства фиксатора со спиральной утяжеленной бурильной трубой обеспечивает стабильное положение отклоняющего устройства, т.е. отсутствует радиальное смещение отклоняющего устройства относительно оси горизонтального ствола скважины, благодаря чему исключаются отклонение компоновки от заданной глубины при забуривании ответвлений и нарушение геометрии траектории ответвления от запланированной в процессе бурения и вскрытия ответвлением водоносной части пласта.
Выполнение направляющего элемента из стали 40Х с азотированием поверхности продольного дугообразного желоба 5 направляющего элемента 3 до твердости 600-650 HV полностью исключает износ направляющего элемента 3 в процессе работы при прохождении вращающегося фрез-долота по поверхности продольного дугообразного желоба 5 с углом наклона рабочей поверхности 4°. Наличие только одного направляющего элемента, т.е. бурение только одного ответвления из глубины горизонтального ствола скважины, значительно снижает риск вскрытия ответвлением водоносной части пласта.
Смещение направляющего элемента 3 относительно передней кромки выреза 6 трубы 1 на расстояние А=1,5 м (фиг. 1 и 2), а также оснащение передней кромки продольного выреза трубы вставкой, выполненной в виде сегмента с конусной поверхностью, сужающейся снаружи внутрь под углом 30°, позволяет исключить прихват бурильной компоновки при ее извлечении после бурения ответвления направляющим элементом отклоняющего устройства.
Предлагаемое отклоняющее устройство для бурения ответвлений из горизонтального ствола скважины позволяет:
- упростить конструкцию отклоняющего устройства;
- упростить процесс ориентации бурового инструмента в горизонтальном стволе скважины;
- исключить нарушение геометрии траектории ответвления от запланированной в процессе бурения;
- исключить вскрытие ответвлением водоносной части пласта;
- исключить фрезерование торца направляющего элемента и повысить его износостойкость в процессе работы;
- исключить прихват бурильной компоновки при ее извлечении после бурения ответвления направляющим элементом отклоняющего устройства.