ОТКЛОНИТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к отклонителям с использованием клин-отклонителя механического.
Она может быть использована для закрепления компоновки устройства на стенках обсадной колонны труб и забуривания бокового ствола в скважину с надежным герметизирующим узлом.
Известен отклонитель (пат.№91100, МПК Е21В 7/08, Е21В 29/06 от 29.09.2009 г. ) для прорезания «окна» в обсадной колонне и забуривания бокового ствола в скважину с опорой на стенках скважины.
Отклонитель состоит из клина-отклонителя с наклонной поверхностью на лицевой стороне, режущего инструмента, гибкого шланга высокого давления, переходника и узла опоры. В режущем инструменте, клине-отклонителе, переходнике и узле опоры имеются полости соответственно, для прохождения жидкости в гидравлическую камеру. Узел опоры состоит из разъемного полого корпуса, переходника на нем, пакеров, направляющего элемента, состоящего из верхней части цилиндрической формы, а средней и нижней частей - переменного сечения. Между верхней частью корпуса, верхней и средней частями направляющего элемента имеются уплотнители. Имеется гидравлическая камера. На направляющем элементе размещен полый распорный основной фигурный элемент, плотно прилегающий к частям направляющего элемента в участках, имеющих на внешней, лицевой поверхности наклонную поверхность с пазом вдоль поверхности и срезные болты, соединяющие основной полый фигурный распорный элемент с корпусом узла опоры. В нижней части основного полого фигурного распорного элемента на наклонной поверхности размещены плашки, тыльная сторона которых имеет выступы, соответствующие пазам, а лицевая сторона имеет зубья. Нижняя часть основного полого фигурного верхнего распорного элемента имеет зазор между внешней поверхностью направляющего элемента и внутренней, образуя полость, в которой размещена пружина тарельчатого типа на опорном диске, закрепленном на направляющем элементе и подвижный упор. Под верхним основным фигурным распорным элементом имеется дополнительный полый распорный элемент в виде полой втулки, плотно прилегающей к направляющему элементу, сужающийся в сечении кверху, с наклонными поверхностями, с пазом вдоль наклонной поверхности. Наклонные поверхности выполнены под углом 120° относительно друг друга в горизонтальной плоскости (в радиальном направлении друг от друга). В пазах размещены плашки, имеющие выступы на тыльной стороне, а на лицевой - зубья. Плашки зубьями опираются во внутреннюю стенку корпуса узла опоры за счет установки в «окне», выполненном внизу в основном полом фигурном распорном элементе, контактирующем с корпусом узла опоры. Плашка сверху упирается в упор, осуществляя подвижную связь с пружинами в момент перемещения корпуса узла опоры вверх. Дополнительный полый распорный элемент жестко соединен с направляющим элементом срезными болтами. Под дополнительным полым распорным элементом имеется полый фигурный элемент снизу с плотно прилегающей к направляющему элементу частью и с плотно прилегающей к внутренней поверхности корпуса узла опоры частью, но с зазором между направляющим элементом в части и внутренней поверхностью части, образуя полость. На нижнем торце корпуса узла опоры закреплена заглушка.
Недостатки известного устройства:
- Устройство требует для своей работы наличия гидравлического канала управления, что усложняет конструкцию и увеличивает требования к эксплуатационным затратам на работу отклонителя.
- Устройство не предусматривает надежного механизма фиксации пакера в случае перекрытия гидравлического канала управления, что приводит к снижению надежности работы отклонителя.
Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности признаков является отклонитель механический (пат.№2502857, МПК Е21В 7/08 от 26.07.2012 г. ) для прорезания «окна» в обсадной колонне с закреплением его на стенках обсадной колонны.
Устройство содержит клин-отклонитель в виде желоба с наклонной поверхностью, со сквозным отверстием под срезной болт, соединяющий режущий инструмент, с распорной частью, в торце которой выполнено глухое отверстие; переходник -раздвижное устройство, состоящий из 2-х односторонних клиньев, в которых имеются сквозные отверстия под срезной болт, плашки в сквозных пазах на поверхности верхнего одностороннего клина, а вдоль скошенной поверхности - Т-образный выступ. Нижний односторонний клин имеет на скошенной поверхности Т-образный паз, соответствующий Т-образному выступу, образуя соединение по типу ласточкина хвоста, с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга, сквозное отверстие под ось, которая закрепляет корпус в месте закрепления корпуса с односторонним клином в глухом отверстии в нижнем торце корпуса, образуя шарнирную часть раздвижного устройства. Под шарнирной частью размещен узел опоры, который закреплен в его верхней части ниппельной резьбой за цилиндрический сплошной ствол, на котором закреплен верхний механический якорь, имеющий корпус с захватами и пружинами, центратор с полукольцами, пружину, крышку. Под верхним механическим якорем размещено замковое устройство, включающее: корпус секторов с разъемным конусом, крышку, пружины, фиксаторы, сектора, которые зафиксированы пружинами. Под замковым устройством на этом же цилиндрическом сплошном стволе размещено и закреплено уплотнительное устройство - пакерный узел, содержащий пакеры с промежуточными шайбами с упорами над и под пакерами. Под пакерным узлом размещен на этом же сплошном стволе нижний механический якорь, состоящий из корпуса, захватов с пружинами, колонок фрикционных с пружинами, крышек, закрепленных винтами на корпусе. Под механическим нижним якорем на поверхности этого же цилиндрического сплошного ствола узла опоры выполнена система фигурных пазов, в которые входят винты - направляющие нижний механический якорь.
Недостатками известного устройства являются:
- Невозможность осуществления качественной оценки завершения установки пакера, входящего в узел опоры, т.к. установка пакера происходит одновременно с установкой верхнего якоря, следовательно, оператор буровой установки оценивает успешность завершения установки пакера и верхнего якоря по показаниям изменения осевой нагрузки веса всей колонны. В соответствии с этим нет гарантии, что все элементы отклонителя активированы должным образом - что негативно влияет на надежность и удобство эксплуатации клина-отклонителя в целом.
- Невозможность осуществления контроля качественного перекрытия затрубного пространства пакером в момент установки, поскольку заякоривание узла опоры, состоящего из верхнего якоря и пакера, происходит при определенной нагрузке. При этом не учитывается, что в пределах одного типоразмера обсадной колонны возможно использование разных толщин стенок, при котором, соответственно требуются разные степени сжатия пакерной втулки. В процессе заякоривания узла опоры возможно возникновение как передавливание, так и, наоборот, недостаточное сжатие пакера. Таким образом, не контролируется передача усилия на сжатие пакера, что приводит к уменьшению надежности перекрытия затрубного пространства пакером отклонителя.
- Неопределенность осуществления срабатывания верхнего якоря или пакера, так как при их установке оператор буровой установки производит спуск всей компоновки на малых скоростях осевого перемещения и вынужден использовать дискретное (короткими и резкими импульсами) перемещение компоновки, что в свою очередь вызывает появление пружинящего эффекта всей компоновки, спускаемой в скважину. С учетом того, что главным источником информации об успешном завершении установки отклонителя для оператора является показания осевой нагрузки веса колонны, возникает неопределенность раннего срабатывания элементов узла опоры, состоящего из верхнего якоря и пакера. Например, возможна ситуация, при которой установка якоря прошла успешно, но без надежной установки пакера. В целом пружинящий эффект при установке отклонителя ведет к снижению надежности как установки пакера, так и эксплуатационных качеств всего отклонителя.
- В целом использование верхнего якоря осложняет конструкцию отклонителя, вносит дополнительную неопределенность активации пакера и увеличивает значение осевой нагрузки для активации пакера, и тем самым ведет к снижению надежной установки пакера и эксплуатационных качеств всего отклонителя.
- Фиксация пакерного узла, осуществляемая за счет сил трения, возникающих между фиксаторами и сплошным стволом узла опоры, и наличием пружинящего эффекта не гарантируют надежной фиксации от разжатия пакерного узла.
- Усложнена конфигурация сплошного ствола отклонителя, на котором расположены: верхний якорь, пакерный узел и нижний якорь. Ствол, являющийся единственной опорой для этих элементов, выполнен с кодовыми пазами и призван обеспечить правильное позиционирование всех узлов. Таким образом, возникают дополнительные требования к качеству изготовления ствола и монтажу отклонителя в целом, что ведет к снижению технологичности его изготовления и ремонтопригодности, тем самым уменьшаются эксплуатационные качества всего отклонителя и следовательно удобство его эксплуатации.
- Не предусмотрена система аварийного извлечения отклонителя, в случае его заклинивания движения в момент извлечения, когда при превышении предельно допустимых нагрузок возможны аварийные случаи обрыва отдельных узлов компоновки, что снижает надежность эксплуатации отклонителя.
Задача полезной модели - повышение надежности и удобства эксплуатации работы отклонителя механического.
Технический результат достигается тем, что отклонитель механический, содержащий клин-отклонитель в виде желоба с наклонной поверхностью, сквозным отверстием вверху под срезной болт, жестко соединяющий его с режущим инструментом и распорной частью - внизу, раздвижное устройство, размещенное под клин-отклонителем, и жестко соединенным с ним, выполненное из верхнего и нижнего односторонних клиньев с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга по наклонным поверхностям за счет Т-образного выступа на скошенной поверхности одного и Т-образного паза - на другой поверхности, плашки с зубьями в пазах на тыльной поверхности верхнего одностороннего клина раздвижного устройства, сквозные отверстия под срезной болт, соединяющий жестко оба клина раздвижного устройства между собой, ось, соединяющую нижний односторонний клин с переходником с образованием шарнирной части устройства, узел пакера, включающий пакер, узел якоря, включающий цилиндрический сплошной ствол, и якорь, выполненный из полого корпуса, на внутренней поверхности которого винты - направляющие якоря, размещены в фигурных пазах на поверхности сплошного ствола, согласно изобретению узел пакера, состоит из верхнего и нижнего переходников, штока, выполненного в виде вала с буртиком в верхней части переходящим в поверхность с рядами зубьев, вершины которых направленные вверх под углом, шток вставлен в верхний переходник и закреплен с ним в сквозных отверстиях срезными болтами, под буртиком на штоке размещены пружина сжатия, пакер, между которыми имеется промежуточное кольцо, и полый корпус, внутри которого с помощью срезных болтов в сквозных отверстиях закреплено ограничительно кольцо, между ограничительным кольцом и нижним переходником размещена цанга, выполненная в виде разрезной втулки с внутренними рядами зубьев, вершины которых направленны вниз под углом, соответствующим углу вершин зубьев на поверхности штока, обеспечивая свободное перемещение штока в одном направлении и блокируя в обратном, в нижней части штока выполнены направляющие пазы, в нижнем переходнике, соединяющим узел пакера с узлом якоря, установлены винты в сквозных отверстиях, которые входят в направляющие пазы на штока и выполнена поверхность - упор, ограничивающая хода штока, к нижнему переходнику, который выполнен внизу с наружной конусной поверхностью - упором для захватов якоря, жестко закреплен сплошной ствол узла якоря.
Сопоставительный анализ с прототипом заявляемого устройства показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых существенных признаков и их взаимосвязи:
В отличие от прототипа раздвижное устройство непосредственно соединено шарнирной связью с пакерным узлом (отсутствует верхний якорь), что позволяет упростить процесс запакеровки и убирает фактор неопределенности раннего срабатывания. Тем самым, позволяет повысить качество эксплуатации и надежность работы устройства, поскольку повышается качество оценки и точность процесса установки отклонителя.
В отличие от прототипа сплошной ствол существенно упрощен, и как следствие значительно укорочен, и крепиться через нижний переходник к пакерному узлу. Сплошной ствол выполняет уже только функции опоры и направляющей для якоря, тем самым увеличив его технологичность изготовления и ремонтопригодность, что приводит к увеличению удобства эксплуатации всего отклонителя.
Наличие в пакерном узле, в отличие от прототипа:
- зубчатого зацепления между штоком и цангой позволяет гарантировать надежность фиксации от разжатия пакера во время всего процесса работы отклонителя и устраняет негативное влияние пружинящего эффекта, возникающего в момент установки, что увеличивает надежность герметизации затрубного пространства и тем самым увеличивает общую надежность работы отклонителя,
- пружины сжатия, размещенной на штоке, между поверхностью буртика на штоке и пакером, и ограничивающей поверхности в нижнем переходнике пакерного узла, позволяют передавать контролируемое осевое усилия, необходимое для надежного сжатия пакера, тем самым, повысить качество перекрытия затрубного пространства пакером и как следствие повысить надежность работы отклонителя и удобство эксплуатации его, - срезных болтов, крепящих шток к корпусу, обеспечивает поэтапную, последовательную установку пакерного узла после установки якоря, что увеличивает надежность и предсказуемость работы отклонителя,
- срезных болтов, крепящих ограничительное кольцо к корпусу, обеспечивается возможность движения штока вверх совместно с цангой, тем самым снимается усилие сжатие пакерной втулки. Что способствует свободному извлечению отклонителя и позволяет увеличить надежность и предсказуемость работы отклонителя,
- срезных болтов, крепящих верхний переходник к штоку, обеспечивающих возможность отсоединения верхней часть отклонителя в случае заклинивания его движения в момент извлечения, что увеличивает надежность и удобство работы во всем спектре режима работы отклонителя.
- направляющих винтов, препятствующих провороту штока в момент его перемещения. Что гарантирует постоянство фиксации азимутального ориентирования отклонителя, позволяющего повысить надежность работы отклонителя при зарезки бокового «окна».
Устройство - отклонитель механический схематично представлено на фиг. 1 - 2
На фиг. 1. Схематично показано устройство, общий вид
На фиг. 2. Схематично показан пакерный узел, в разрезе.
Устройство состоит из: клин-отклонителя (1), раздвижного устройства (2), узла пакера (3) и узла якоря (4) (фиг. 1).
Клин-отклонитель (1), выполненный с наклонной поверхностью (5), в верхней части, жестко закреплен с режущим инструментом посредством срезного болта (6), установленного в сквозное отверстие (7). К нижней распорной части (8) клин-отклонителя (1) жестко закреплено раздвижное устройство (2).
Раздвижное устройство (2) состоит из верхнего (9) и нижнего (10) одностороннего клина, соединенных между собой срезным болтом (11), через сквозные отверстия (12) и (13) соответственно. В верхнем одностороннем клине (8) на тыльной стороне в сквозных пазах (14) размещены плашки (15), а на лицевой стороне выполнена наклоненная поверхностью (16) с Т-образным выступом (17). На нижнем одностороннем клине (10), выполнена ответная наклонная поверхность (18) с соответствующим Т-образным пазом (19), образуя соединение по типу «ласточкина хвоста» с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга. К нижнему одностороннему клину (9) через сквозные отверстия (20) посредством оси (21) присоединен узел пакера (3), с соответствующим отверстием (22), образуя шарнирную часть устройства.
Узел пакера (3) (фиг. 2) состоит из верхнего переходника (23), во внутреннее отверстие (24) которого вставлен шток (25). Шток (25) закреплен с помощью срезных болтов (26) через сквозные отверстия (27) и (28) соответственно. Шток (25) представляет собой вал с буртиком (29) переходящим в цилиндрическую поверхность с рядами зубьев (30), вершины которых направленные вверх под углом, и затем направляющие пазы (31). На штоке (25) под буртиком (29) установлены пружина сжатия (32), промежуточное кольцо (33) и пакер (34). Опорой пакера (31) является полый корпус (35) жестко соединенный с нижним переходником (36). Корпус (35) связан со штоком (25) посредством срезного болта (37) через сквозное отверстие (38) в корпусе и глухое отверстие (39) в штоке (25). Во внутренней полости корпуса (35) закреплено ограничительное кольцо (40) с помощью срезных болтов (41) через сквозные отверстия (42) и (43) соответственно. Цанга (44) расположена между ограничительным кольцом (40) и нижним переходником (36). Цанга (44) представляет собой разрезную цилиндрическую втулку. Зона зажима цанги, расположенная в нижней части, выполнена с рядами зубьев (45), вершины которых направленные вниз под углом, соответствующим углу вершин зубьев (30) штока (25). Что обеспечивает свободное движение штока только в одном направлении (вниз) и блокирует в обратном (вверх). В нижнем переходнике (36) установлены винты (46) через сквозные отверстия (47), входящие в направляющие пазы (31) штока (25). Во внутреннем пространстве нижнего переходника (36) выполнена ограничивающая ход штока (25) поверхность (48). В нижней части переходника (36) выполнена наружная конусная поверхность для создания упора захватами якоря (50). К нижнему переходнику (36) жестко закреплен узел якоря (4).
Узел якоря (4) (фиг. 1) состоит из сплошного ствола (49) и якоря (50). На наружной поверхности ствола (49) выполнена система фигурных пазов (51), образующая кодовую систему перемещения в них винтов (не показаны), закрепленных на внутренней поверхности корпуса (50) якоря и являющихся направляющими якоря.
Устройство работает следующим образом.
На поверхности скважины отклонитель собирают и свинчивают с бурильными трубами. Перед началом спуска проверяют затяжку срезных болтов раздвижного устройства и клин-отклонителя с режущим инструментом и правильность установки якоря в транспортное положение.
Отклонитель (1, 2, 3, 4) (Фиг. 1) на колонне бурильных труб спускают в скважину на заданную глубину, определяемую местом прорезания «окна» в стенке обсадной колонны. После окончания спуска производят его ориентацию по азимуту.
Для закрепления отклонителя на стенках обсадной колонны переключают положение якоря (50) из транспортного в рабочее. Для этого поднимают отклонитель вверх и по системе фигурных пазов (51) на сплошном стволе (49) переключают в рабочее положение. Затем отклонитель опускают и происходит закрепления якоря (50) на стенках обсадной колонны. При этом происходит касание захватов якоря с конусом нижнего переходника (36). Захваты якоря, двигаясь по конусной поверхности, расходятся и упираются в стенку обсадной колонны
Затем, после закрепления отклонителя на стенках обсадной колонны герметизируют затрубное пространство.
Разгрузкой компоновки срезают болт (37) (фиг. 2) в пакерном узле (2), тем самым освобождая шток (25) от фиксации. При дальнейшем движение штока вниз буртик (29) штока сжимает пружину (32) до соприкосновения штока (25) с ограничительной поверхностью (48) нижнего переходника (36). При этом обеспечивается ход сжатия пружины (32), обеспечивая усилие сжатия заданного значения, которое передается далее для выполнения сжатия пакера (34). Точно обеспечив передачу заданного усилия, гарантируется равное усилие закрепления пакера (34) на стенках обсадной колонны, вне зависимости от толщины обсадной колонны. В процессе движения штока (25) зубья (30) входят в зацепление с зубьями (45) на цанге (44), образуя, таким образом, надежное зацепление, которое гарантирует движение только в одном направлении (вниз) и блокирует в обратном (вверх). При этом движение происходит строго вдоль оси без проворота, обеспечиваемое винтами (46), входящими в направляющие пазы (31) штока (25).
Герметизация затрубного пространства завершена.
Продолжая разгрузку компоновки, срезают болт (11) (фиг. 1), соединяющий верхний (9) и нижний (10) односторонних клина. После среза болта (11) происходит перемещение клиньев (9) и (10) относительно друг друга по наклонным поверхностям (16) и (18) в Т-образном пазу (18) Т-образного выступа (16). Перемещение происходит до момента, когда тыльная сторона верхнего клина (9) с плашками (15) не коснется плашками стенки обсадной колонны (не показано). Зубья плашек верхнего клина (9) прочно внедряются в стенку колонны (не показано) и в дальнейшем работают как фиксаторы клин-отклонителя при фрезеровании режущими инструментами (52) бокового окна в обсадной колонне. При движении друг относительно друга верхнего (9) и нижнего (10) клиньев по наклонному Т-образном пазу (19) Т-образного выступа (17) происходит поворот раздвижного устройства (2) на оси (21). Это приводит к тому, что клин-отклонитель (1) в нижней своей части прижимается к стенке обсадной колонны, со стороны желоба (5), а верхней своей частью, в зоне крепления режущего инструмента (52), прижимается тыльной поверхностью к противоположной стороне обсадной колонны. Такое расположение верхней части клин-отклонителя в стенках обсадной колонны, обеспеченное шарнирной частью раздвижного устройства, наиболее рационально для вырезки бокового окна. При дальнейшем нагружении клин-отклонителя происходит расклинивание и окончательная посадка обоих клиньев узла опоры на стенках обсадной колонны. При дальнейшем повышении нагрузки происходит срез болта срезного (6) и отсоединение режущего инструмента (52). После среза срезного болта (6) и отсоединения режущего инструмента (52) от клина приступают к работам по вырезанию «окна» в обсадной колонне.
По окончанию работ по вырезанию «окна» в обсадной колонне при необходимости производят извлечение отклонителя. Для извлечения на тыльной стороне верхней части клин-отклонителя предусмотрена ловильная резьба под ловильный колокол. В некоторых модификациях в верхней части клина-отклонителя предусмотрено отверстие под ловильный крюк, (не показаны).
В процессе извлечения возможны случаи заклинивания подъема отклонителя. Что выражается в прекращении движения и увеличению показаний осевой нагрузки всей компоновки. При превышении предельно допустимых нагрузок возможны аварийные случаи обрыва отдельных узлов компоновки. В таких случаях, исходя из условий по обеспечению техники безопасности, допустимо контролируемое извлечение по частям.
Для этого прикладывают осевое усилие (вверх) для среза болтов (26), связывающих верхний переходник (23) со штоком (25). Происходит освобождение верхней части отклонителя: клин-отклонителя (1), раздвижного устройства (2) и верхнего переходника (23) узла пакера (3). При этом происходит распакеровка пакера (34), за счет ослабления усилия прижатия пружины (32). Производят извлечение верхней части отклонителя с помощью ловильного оборудования. Затем приступают к извлечению нижней части отклонителя за верхнюю часть штока (25) перед буртиком (29). В особо сложных случаях, когда пакер (34) все еще находится в сжатом состоянии и препятствует извлечению, продолжают прикладывать осевую нагрузку (вверх) до среза болтов (41), фиксирующих положение ограничительного кольца (40). Это приводит к совместному движению вверх штока (25) и цанги (44), связанных между собой зубчатым соединением (30) и (45). Что ослабевает прижатие пакера (34) к стенкам обсадной колонны. Производят окончательное извлечение оставшейся части отклонителя.
Заявленная полезная модель - отклонитель механический по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
- Снижется влияние человеческого фактора при установке отклонителя, так как необходимые параметры установки заложены в конструктив отклонителя: предусмотрена система фиксации, контролируемая передача усилия на сжатие пакера и поэтапная последовательная работа всех элементов отклонителя, что повышает удобство эксплуатации и надежность работы отклонителя.
- Устройство обеспечивает поэтапную последовательную активацию основных узлов отклонителя, тем самым увеличивая надежность и предсказуемость работы отклонителя.
- Устройство повышает надежность фиксации пакера на стенках обсадной колонны, предотвращая разжатия пакера во время всего процесса работы отклонителя.
- Устройство повышает надежность герметизации затрубного пространства, за счет гарантированной передачи контролируемого усилия в пределах необходимого уровня для сжатия пакера, что обеспечивает удобство эксплуатации в целом.
- Устройство обеспечивает аварийную возможность извлечения отклонителя, за счет использования в конструкции дополнительно установленных срезных болтов.
- Устройство гарантирует сохранение направления азимутального ориентирования отклонителя, что повышает удобство эксплуатации и надежность работы отклонителя.