КЛИНОВОЙ ОТКЛОНИТЕЛЬ ДЛЯ ЗАБУРИВАНИЯ БОКОВЫХ СТВОЛОВ ИЗ СКВАЖИНЫ
DIVERTING WEDGE FOR SPUDDING OF OFFSHOOTS FROM WELL

Изобретение относится к области бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин, а именно для забуривания боковых стволов из ранее пробуренных обсаженных и необсаженных скважин.
Известно устройство для установки отклонителя (а.с. SU 1564319, МПК 7 Е21В 7/08, опубл. 15.05.1990 г., Бюл. №18), включающее корпус с осевым цилиндрическим каналом для прохода промывочной жидкости, расположенный в канале и подпружиненный относительно корпуса поршень, связанный с ним узел фиксации, который выполнен в виде коаксиально установленной в подпоршневой полости канала корпуса и жестко связанной с ним втулки с радиальным отверстием, расположенного в полости втулки и жестко связанного с поршнем штока и фиксатора, установленного в радиальном отверстии втулки, причем шток со стороны фиксатора имеет наклонный в сторону поршня продольный паз, а фиксатор установлен в последнем.
Известное устройство позволяет спускать отклонитель в скважину и отсоединять колонну бурильных труб от него под действием давления жидкости.
Однако оно обладает рядом недостатков:
- при установке отклонителя с упором на забой для его надежной фиксации в стволе скважины необходимо создать осевую нагрузку не менее 50 кН. При такой нагрузке будет происходить деформация фиксатора и заклинивание его в отверстии втулки, что приведет к невозможности отсоединения устройства от отклонителя и возникновению аварийной ситуации;
- необходимость создания прочного шлифованного забоя для установки и закрепления отклонителя в скважине, что ведет к увеличению сроков и стоимости строительства скважины;
- узкая область применения, связанная с невозможностью доведения расчетной осевой нагрузки, необходимой для выдвижения плашки якоря и надежного закрепления отклонителя в горизонтальных участках наклонно направленных скважин, имеющих перегибы ствола, или в скважинах со сложным профилем ствола;
- необходимость дополнительной спуско-подъемной операции для спуска компоновки фрез, что увеличивает сроки строительства скважины.
Известно устройство для забуривания боковых стволов из обсаженной скважины (пат. RU 2263196, МПК 7 Е21В 7/08, опубл. 27.10.05 г., Бюл. №30), включающее отклоняющий клин с закрепляющим механизмом в виде гофрированной трубы, один конец которой заглушен, между которыми размещен переводник, подвижное соединение между переводником и клином, режущий инструмент, канал для подачи жидкости в полость гофрированной трубы выполнен в виде размещенного в отклоняющем клине гидропровода, связывающего полость бурильных труб и полость режущего инструмента, прикрепленного к верхней части отклоняющего клина посредством срезного болта, с полостью гофрированной трубы.
Недостатками устройства являются:
- сложность создания надежного соединения гидропровода через срезной болт и тело клина отклонителя из-за недостаточной толщины клина в верхней части, что снизит надежность устройства и приведет к аварии, увеличив стоимость строительства скважин;
- низкая надежность работы узла отклонения «головы» клина к стенке скважины и его фиксации в таком положении, особенно в горизонтальных участках наклонно направленных и многозабойных скважин из-за малого плеча приложения отклоняющей силы в нижней части клина и, как следствие, малого усилия отклонения клина к стенке скважины, невозможности удержания его в таком положении в течение всего цикла строительства дополнительного ствола скважины, что ограничивает диапазон ориентирования клина-отклонителя по азимуту основного ствола скважины в пределах ±45° от нижней его стенки. Это, в свою очередь, ведет к усложнению профиля бокового ствола, увеличивая его длину, создает проблемы при доведении обсадного хвостовика до забоя из-за его большей жесткости по сравнению с бурильной колонной и, соответственно, к удорожанию строительства бокового ствола;
- высока вероятность аварийных ситуаций из-за неконтролируемого усилия отсоединения, связанных с расположением срезного болта не перпендикулярно отклоняющей поверхности клина (т.к. оно перпендикулярно оси устройства), что приводит к изгибанию срезного болта, а не к его срезу;
- узкая область применения, связанная с невозможностью использования отсоединительного устройства данной конструкции в скважинах со сложным профилем из-за того, что при натяжении бурильной колонны она стремится принять прямолинейное положение и заклинивается на перегибах ствола скважины за счет утолщений в замковых соединениях, не позволяя контролировать величину осевой нагрузки, приходящейся на срезной болт и приводящей к невозможности отсоединения режущего инструмента от клина.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для забуривания боковых стволов из скважины (пат. RU 2366793, МПК 7 Е21В 7/08, опубл. 10.09.09 г., Бюл. №25), включающее отклоняющий клин с закрепляющим механизмом в виде гофрированной трубы, один конец которой заглушен, между которыми размещен переводник, подвижное соединение между переводником и клином, узел фиксации отклоняющего клина, установленный в переводнике и выполненный в виде фиксирующего приспособления и поршня со штоком, размещенных в гидроцилиндре, полость которого сообщена с полостью гофрированной трубы, при этом верхняя часть штока установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина со стороны его направляющей плоскости, режущий инструмент, прикрепленный к верхней части отклоняющего клина посредством срезного болта, канал для подачи жидкости, связывающий полость бурильных труб и полость режущего инструмента с полостью гофрированной трубы. Причем канал для подачи жидкости выполнен в виде подающей трубки, а нижняя часть клина со стороны его направляющей поверхности выполнена в виде клинового выступа, направленного вниз, со скошенной плоскостью, обращенной противоположно направляющей поверхности клина, при этом верхняя часть штока выполнена в виде бокового среза, выполненного с возможностью взаимодействия со скошенной плоскостью клина, между которыми размещено фиксирующее приспособление.
Недостатком устройства является узкая область применения, связанная с невозможностью использования отсоединительного устройства данной конструкции в горизонтальных участках наклонно направленных скважин, имеющих перегибы ствола, или в скважинах со сложным профилем из-за того, что при натяжении бурильной колонны она стремится принять прямолинейное положение и заклинивается на перегибах ствола скважины за счет утолщений в замковых соединениях, не позволяя контролировать величину осевой нагрузки, приходящейся на срезной болт и приводящей к невозможности отсоединения режущего инструмента от клина. Аварийные ситуации, возникающие вследствие этого, могут привести даже к потере основного ствола скважины, т.к. извлечь компоновку фрез, оставленную в скважине, или расфрезеровать ее практически невозможно, что ведет к увеличению сроков строительства скважин и их стоимости.
Техническими задачами настоящего изобретения являются:
- расширение области применения за счет возможности использования в скважинах со сложным профилем;
- увеличение надежности работы устройства в горизонтальных участках наклонно направленных и многозабойных скважин, имеющих перегибы ствола, из-за отсоединения режущего инструмента от клина давлением жидкости, снижения вероятности аварийных ситуаций за счет дублирования способов отсоединения режущего инструмента благодаря установке срезного элемента перпендикулярно верхней отклоняющей поверхности клина и оснащения срезного элемента наружной кольцевой проточкой, расположенной ниже отклоняющей поверхности клина, что в совокупности позволит сократить сроки и снизить стоимость строительства скважин сложной архитектуры и горизонтальных скважин со сложным профилем ствола.
Техническая задача решается клиновым отклонителем для забуривания боковых стволов из скважины, включающим отклоняющий клин с гидравлическим закрепляющим механизмом, между которыми размещен переводник, подвижное соединение между переводником и клином, узел фиксации отклоняющего клина, установленный в переводнике и выполненный в виде фиксирующего приспособления и поршня со штоком, размещенных в гидроцилиндре, полость которого сообщена с полостью закрепляющего механизма, при этом верхняя часть штока установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина со стороны его направляющей плоскости, режущий инструмент, спускаемый на бурильных трубах и прикрепленный к верхней части отклоняющего клина посредством срезного элемента, подающую трубку для подачи жидкости, связывающую полость бурильных труб и полость режущего инструмента с полостью закрепляющего механизма, причем нижняя часть клина со стороны его направляющей поверхности выполнена в виде клинового выступа, направленного вниз, со скошенной плоскостью, обращенной противоположно направляющей поверхности клина, при этом верхняя часть штока выполнена в виде бокового среза, выполненного с возможностью взаимодействия со скошенной плоскостью клина, между которыми размещено фиксирующее приспособление.
Новым является то, что срезной элемент оснащен наружной кольцевой проточкой, расположенной ниже отклоняющей поверхности клина, и поперечным пазом сверху, а режущий инструмент оснащен продольным цилиндром и подпружиненным вниз поршнем с нижними и верхними уплотнительными элементами, вставленным в цилиндр, снабженным выше нижних уплотнительных элементов и ниже пружины боковым продольным клиновым выступом, соответствующим по форме поперечному пазу срезного элемента, причем подпоршневая полость продольного цилиндра выполнена сообщенной с бурильными трубами и подающей трубкой, а надпоршневая полость - с внутрискважинным пространством, при этом режущий инструмент снабжен радиальным подпружиненным внутрь замковым элементом, выполненным с возможностью фиксации поршня в верхнем положении, в котором поршень расположен выше срезного элемента.
На фиг.1 показан общий вид клинового отклонителя с разрезами, на фиг.2 - А - узел соединения режущего инструмента с клином и отсоединительное устройство в транспортном положении, на фиг.3 - Б - узел фиксации отклоняющего клина.
Устройство состоит из отклоняющего клина 1 (фиг.1), переводника 2, гидравлического закрепляющего механизма 3, выполненного, например, в виде профильной трубы, гидравлического якоря или пакера (см. патенты RU 2166058, RU 2164282, US 5113938, US 5816324), подвижного шарнирного соединения между клином 1 и переводником 2 с осью 4. Выше клина 1 установлены: режущий инструмент 5 в виде компоновки фрез, перепускной клапан, трубный фильтр, связанные с бурильными трубами (на фиг.1 не показаны), соединенные механически с клином 1 при помощи отсоединительного устройства в виде срезного элемента 6. Для подачи жидкости из бурильных труб через режущий инструмент 5 и переводник 2 в полость гидравлического закрепляющего механизма 3 предназначена подающая трубка 7. Направляющий желоб клина 1 состоит из двух отклоняющих поверхностей: верхней 8 и основной 9 (фиг.1 и 2). В переводнике 2 (фиг.1) установлен узел фиксации отклоняющего клина 1, выполненный в виде фиксирующего приспособления 10 (фиг.3) и поршня 11 со штоком 12, размещенных в гидроцилиндре 13, полость которого сообщена с полостью закрепляющего механизма 3 (фиг.1), при этом верхняя часть штока 12 (фиг.3) установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина 1 со стороны его направляющей поверхности 9, причем нижняя часть клина 1 со стороны его направляющей поверхности 9 выполнена в виде клинового выступа 14, направленного вниз, со скошенной плоскостью 15, обращенной противоположно направляющей поверхности 9 клина 1, при этом верхняя часть штока 12 выполнена в виде бокового среза 16, выполненного с возможностью взаимодействия со скошенной плоскостью 15 клина 1, между которыми размещено фиксирующее приспособление 10 в виде насечек (другие виды выполнения насечек аналогично патенту RU 2366793).
Срезной элемент 6 (фиг.2) оснащен наружной кольцевой проточкой 17, расположенной ниже отклоняющей поверхности 8 клина 1, и поперечным пазом 18 сверху, а режущий инструмент 5 оснащен продольным цилиндром 19 и подпружиненным вниз поршнем 20 с нижними и верхними уплотнительными элементами 21, вставленным в цилиндр 19, снабженным выше нижних уплотнительных элементов 21 и ниже пружины 22 боковым продольным клиновым выступом 23 под поперечный паз 18 срезного элемента 6, причем подпоршневая полость продольного цилиндра 19 выполнена сообщенной с бурильными трубами и подающей трубкой 7, а надпоршневая полость - с внутрискважинным пространством через отверстие 24 в теле режущего инструмента 5, при этом режущий инструмент 5 снабжен радиальным подпружиненным внутрь замковым элементом 25, выполненным с возможностью фиксации поршня 20 в верхнем положении, в котором поршень 20 расположен выше срезного элемента 6.
Технические соединительные и уплотнительные элементы для упрощения чертежей и описания на фигурах 1-3 не показаны или показаны условно.
Устройство работает следующим образом.
На заводе поршень 20 (фиг.2) отсоединительного устройства режущего инструмента 5 (фрезы оконной) приводят в рабочее положение при помощи фланца (на фиг.2 не показан), установленного на торец его муфтового соединения 26 и натяжного болта (на фиг.2 не показан), вставленного во фланец и ввинченного в резьбу 27, выполненную в верхней части поршня 20, чем сжимают пружину 22, отводя поршень 20 с клиновым выступом 23 для освобождения проходного сечения отверстия 28 под срезной элемент 6. К клину 1 присоединяют срезной элемент 6, установив его перпендикулярно верхней отклоняющей поверхности 8 в отверстии 29 в верхней части клина 1, и закрепляют его (например, пайкой, сваркой, зачеканиванием, механическим креплением и т.п., на фиг.2 - не показано) так, чтобы поперечный паз 18 был расположен перпендикулярно оси устройства и обращен в сторону «головы» клина 1 (то есть вверх). Режущий инструмент 5 присоединяют к клину 1, вставив срезной элемент 6 в отверстие 28 режущего инструмента 5. Освобождая натяжной болт, производят закрепление режущего инструмента 5 на клине 1 при помощи поперечного паза 18 срезного элемента 6 и клинового выступа 23 поршня 20 и пружины 22. Сила сжатия пружины 22 и клиновая форма выступа 23 позволяют прижать режущий инструмент 5 к клину 1 и надежно зафиксировать его в таком положении на время транспортировки, спуска в скважину, ориентирования и установки. Затем убирают натяжной болт с фланцем, присоединяют к режущему инструменту 5 подающую трубку 7, а муфту 26 закрывают заглушкой (на фиг.2 не показана). Соединяют клин 1 (фиг.1) с переводником 2 осью 4. Нижний конец переводника 2 закрывают заглушкой (на фиг.1 не показана). В таком виде клин 1 с переводником 2 готовы к хранению и транспортировке.
Перед спуском в скважину на мостках буровой установки собирают клиновой отклонитель в следующей последовательности: из муфты 26 (фиг.2) режущего инструмента 5 и переводника 2 (фиг.1) извлекают защитные заглушки, клин 1 с переводником 2 соединяют с гидравлическим закрепляющим механизмом 3, например, при помощи резьбы (на фиг.1 - не показана) или потайных болтов 30 и на элеваторе (на фиг.1 - не показан) спускают в скважину.
К режущему инструменту 5 (фиг.2) через муфту 26 присоединяют бурильную трубу с установленным в ней трубным фильтром, а над ними - перепускной клапан (на фиг.1 и 2 - не показаны). Собранную компоновку на колонне бурильных труб спускают в скважину на заданную глубину и ориентируют клиновой отклонитель, например, с помощью инклинометра или гироскопа (на фиг.1 не показаны) в заданном направлении по азимуту. При спуске через перепускной клапан происходит заполнение полостей режущего инструмента 5 (фиг.1), бурильных труб и гидравлического закрепляющего механизма 3 рабочей жидкостью, находящейся в скважине, предотвращая их смятие под действием давления столба жидкости. Трубный фильтр задерживает крупные частицы загрязнений, попадающие в полость бурильных труб через перепускной клапан, предотвращая загрязнение подающей трубки 7. Во время спуска устройства в скважину, связанного с периодичностью спуска, и остановки колонны бурильных труб на клиньях ротора для наращивания бурильных труб в их полости возникают гидравлические удары, передающиеся в продольный цилиндр 19 (фиг.2) режущего инструмента 5 и воздействующие на поршень 20. Сила сжатия пружины 22 превышает силу гидравлических ударов, гасит их и тем самым исключает несанкционированное отсоединение режущего инструмента 5 от клина 1.
При достижении клиновым отклонителем интервала установки насосом с поверхности земли создают давление рабочей жидкости в полости колонны бурильных труб, которое через режущий инструмент 5 (фиг.1) по подающей трубке 7 через переводник 2 передается в гидравлический закрепляющий механизм 3, приводя его в рабочее положение и надежно закрепляя в стволе скважины. Одновременно давление рабочей жидкости перемещает поршень 11 (фиг.3) со штоком 12, который, воздействуя боковым срезом 16 на скошенную плоскость 15 клинового выступа 14, поворачивает клин 1 (фиг.1) вокруг оси 4 и прижимает его «голову» (верхнюю часть клина 1) к стенке скважины (на фиг.1 не показана). Выполнение клинового выступа 14 (фиг.3), направленного вниз, со скошенной плоскостью 15, обращенной противоположно направляющей поверхности 9 клина 1 и взаимодействующей с верхней частью штока 12 поршня 11, позволяет увеличить рычаг приложения отклоняющей силы верхней части клина в любом необходимом соотношении, независимо от диаметра скважины или внутреннего диаметра обсадной колонны (на фиг.1 и 3 не показана), что обеспечивает прижатие верхней части клина 1 (фиг.1) к стенке скважины с большим усилием и надежную его фиксацию в таком положении в течение всего времени зарезки, бурения и крепления бокового ствола. В самом верхнем положении поршень 11 (фиг.3) со штоком 12 заклиниваются между стенкой гидроцилиндра 13 и нижним клиновым выступом 14 клина 1 при помощи насечек 10. Выполнение штока 12 с поршнем 11 как один сплошной цилиндр, совмещенный с фиксирующим приспособлением 10, позволяет упростить конструкцию узла опоры, увеличить его прочность, надежность и уменьшить габаритные размеры. В случаях использования устройства в скважинах большого диаметра, например в кондукторах, возможно выполнение сборной конструкции штока 12 с поршнем 11 для упрощения технологии и уменьшения стоимости изготовления устройства. Большие диаметральные и длиновые размеры поршня 11 позволяют ему устойчиво работать, оставляя штоку 12 отклоняюще-расклинивающую функцию. Придание штоку 12 формы клина повышает усилие отклонения и прижатия «головы» клина к стенке скважины и позволяет надежно фиксировать клин в таком положении, так как расклинивающее усилие штока 12 во много раз больше осевого усилия, создаваемого жидкостью на поршень 11. При этом отклоняющие усилия, возникающие в клине 1 в процессе работы, воздействуют на поршень 11 не по его оси, а перпендикулярно плоскости бокового среза 16 штока 12, не сдвигая поршень 11 в исходное положение, а увеличивая усилие их фиксации (другие виды выполнения фиксирующего приспособления аналогично патенту RU 2366793).
Натяжением колонны бурильных труб с расчетным усилием проверяют надежность установки клинового отклонителя в скважине. Затем созданием давления, превышающего давление закрепления гидравлического закрепляющего механизма 3 (фиг.1), поршнем 20 (фиг.2) с нижними и верхними уплотнительными элементами 21 сжимают пружину 22, выводя клиновой выступ 23 из поперечного паза 18 срезного элемента 6, производя отсоединение режущего инструмента 5 от клина 1, одновременно жидкость, находящаяся в надпоршневой полости, выводится во внутрискважинное пространство через отверстие 24. Поршень 20, продолжая двигаться под давлением жидкости, нижней поверхностью паза 31 упирается в срезной элемент 6 и по его наклонной поверхности отталкивает режущий инструмент 5 от клина 1 к противоположной стенке скважины. При этом происходит изгиб срезного элемента 6 в зоне поперечного паза 18, увеличивая его угол наклона к оси устройства 6 и увеличивая тем самым силу отталкивания режущего инструмента 5 от клина 1. Поршень 20, пройдя зону срезного элемента 6, зафиксируется в верхнем положении замковым элементом 25. Давление жидкости, воздействуя на срезной элемент 6 силой реакции струи жидкости, произведет полное отсоединение режущего инструмента 5 от клина 1 и откроет отверстие 28. Падение давления жидкости в полости бурильных труб показывает, что произошло отсоединение режущего инструмента 5 от клина 1. Натяжением колонны бурильных труб производят отсоединение подающей трубки 7 от режущего инструмента 5. Открытие этих отверстий сообщает внутреннюю полость бурильных труб со стволом скважины. При вырезании «окна» и забуривании бокового ствола суммарная площадь этих отверстий обеспечивает прокачивание достаточного объема промывочной жидкости и поддержание необходимой скорости восходящего потока, уносящего металлические опилки, частицы цемента и горной породы из зоны вырезания «окна» и забуривания бокового ствола, чего нет в других аналогичных устройствах. Также в процессе фрезерования оставшейся части срезного элемента 6, после отсоединения режущего инструмента 5 от клина 1 кольцевая проточка 17 способствует его быстрейшему разрушению, сохранению режущих элементов режущего инструмента 6 и ускорению процесса вырезания «окна» и забуривания бокового ствола.
В случае каких-либо осложнений в скважине (например, засорилась полость бурильных труб окалиной или упавшим металлическим предметом) и невозможности отсоединения режущего инструмента 5 (фиг.1) от клина 1 описанным способом, отсоединение производят разрушением срезного элемента 6 по наружной кольцевой проточке 17 (фиг.2) натяжением колонны бурильных труб с расчетным усилием, не превосходящим грузоподъемность буровой установки (на фиг.1 не показана). Затем придают вращение колонне бурильных труб, восстанавливают циркуляцию промывочной жидкости из скважины и производят вырезание «окна» в стенке обсадной колонны движением режущего инструмента 5 (фиг.1) по отклоняющей поверхности 8, а затем - 9 клина 1.
В совокупности все это позволяет расширить области применения предлагаемого устройства за счет возможности использования в скважинах со сложным профилем и увеличения надежности его работы в горизонтальных участках наклонно направленных и многозабойных скважин из-за отсоединения режущего инструмента от клина разрушением срезного болта при помощи давления жидкости, снижения вероятности аварийных ситуаций за счет установки срезного болта перпендикулярно верхней отклоняющей поверхности клина и дублирования способов отсоединения режущего инструмента от клина, что в совокупности позволит сократить сроки и снизить стоимость строительства скважин сложной архитектуры и горизонтальных скважин со сложным профилем ствола.