Направляющий башмак для установки профильного перекрывателя в скважине
GUIDE SHOE FOR INSTALLATION OF SHAPED SHUTTER IN WELL

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к устройствам для установки профильных перекрывателей при изоляции ими зон осложнений при бурении горизонтальных скважин или крепления боковых стволов многоствольных скважин, и может быть применено при строительстве горизонтальных и многоствольных скважин.
Известно самоориентирующееся устройство для многоствольной скважины (патент RU № 76675, МПК Е21В 23/03, опубл. 27.09.2008 г., Бюл. № 27), включающее транспортирующий орган с механизмом изменения направления движения и узел фиксации попадания технологического инструмента в боковой ствол (БС). При этом узел фиксации снабжен подшипником качения, а механизм изменения направления движения содержит встроенный вращательный механизм, ротор которого имеет ведущую консоль, входящую в зацепление с ведомой консолью узла фиксации. Причем ведомая консоль установлена с возможностью выхода из зацепления при попадании узла фиксации в БС.
Недостатками данного устройства являются:
- наличие сложноизготавливаемых и дорогостоящих шлицевых соединений и сопрягаемых сферических поверхностей, сложность их герметизации и, как следствие, высокая стоимость устройства;
- конструктивная сложность соединения башмака профильного перекрывателя (ПП) с самоориентирующимся устройством, так как в конструкции самоориентирующегося устройства установлен гидродвигатель, рассчитанный на большой объем прокачиваемой жидкости, что невозможно осуществить по конструктивным особенностям ПП. ПП начинает выправляться при небольшом перепаде давления, которое неконтролируемо может повыситься в любой момент внутри ПП при прокачивании большого объема жидкости в условиях скважины;
- ограниченная область применения. БС многоствольных скважин по диаметру всегда меньше диаметра основного ствола, поэтому конструктивные размеры хвостовика из продольно профильных труб и устройств для его спуска и установки в скважине уменьшаются в 2-3 раза, что уменьшает их конструктивную прочность и надежность, тем самым увеличивается вероятность их поломки и возникновения аварийной ситуации, что недопустимо в скважинных условиях.
Известен башмак с направляющим устройством (патент RU № 89164, МПК Е21В 29/10, опубл. 27.11.2009 г., Бюл. № 33), присоединенный на резьбе к хвостовику из профильных труб, содержащий центральный канал, гидравлически связанный с полостью упомянутого хвостовика. При использовании самоориентирующегося направляющего устройства узел крепления выполнен в виде подвески, а в центральном канале башмака профрезерована радиальная проточка, образующая полку с двумя пазами по радиусу, в которые своими выступами вставлена упомянутая подвеска для крепления самоориентирующегося направляющего устройства. В пазы вставлены вкладыши, фиксирующие подвеску от осевого вращения, а сами вкладыши от продольных перемещений зафиксированы прижимной гайкой.
Недостатками известного башмака являются:
- сложность изготовления и производства ремонта из-за наличия сложно изготавливаемых и дорогостоящих шлицевых и сопрягаемых сферических поверхностей, сложность их герметизации и, как следствие, высокая стоимость устройства;
- сложность конструкции самого башмака и захватного устройства развальцевателя для его извлечения и, как следствие, сложность изготовления и высокая стоимость устройства;
- сложность конструкции и изготовления. Конструктивно сложно соединить башмак с самоориентирующимся устройством, так как в конструкции самоориентирующегося устройства установлен гидродвигатель, работающий при большом расходе жидкости, что неосуществимо из-за конструктивно малого размера промывочного канала подвески и высокой вероятности аварийных ситуаций вследствие несанкционированного выправления профильных труб в процессе ориентирования башмака;
- высокая вероятность аварийных ситуаций, связанных с неконтролируемым закрытием промывочного канала устройства при упоре его в выступы твердых пород или в стенку каверны, образующихся в переходных участках ствола от мягких к твердым породам при бурении горизонтальных скважин или БС многоствольных скважин;
- высокая вероятность аварийных ситуаций, связанных с невозможностью закрытия промывочного канала башмака с упором на забой в интервале установки, так как при изоляции зоны осложнения бурения в виде осыпания породы забой рыхлый или отсутствует в зоне провала, и катастрофического поглощения промывочной жидкости.
Известен гидравлический скважинный отклоняющий узел (патент RU № 2318112, МПК Е21В 23/00, опубл. 27.02.2008 г., Бюл. № 6), включающий корпус с центральным проходным каналом, сферической выборкой снизу и внутренней проточкой в средней части, в которую герметично вставлен с возможностью осевого перемещения вниз подпружиненный вверх поршень со штоком, оснащенный центральным проходным каналом. Отклоняющая головка с полусферой вверху герметично взаимодействует с возможностью поворота и отклонения с нижней частью сферической выборки корпуса и при этом подпружинена от корпуса. В корпусе между отклоняющей головкой и штоком установлен эксцентричный полый упор, взаимодействующий сверху с нижним торцом штока. Эксцентричный полый упор оснащен снизу снаружи полусферой и сегментом с нижнего торца, причем полусфера эксцентричного полого упора взаимодействует с верхней частью сферической выборки корпуса, а сегмент взаимодействует с верхней плоскостью полусферы отклоняющей головки с возможностью её отклонения в противоположную сторону от сегмента при перемещении штока с поршнем вниз.
Недостатками данного устройства являются:
- наличие сложноизготавливаемых и дорогостоящих сопрягаемых сферических поверхностей, сложность их герметизации и, как следствие, высокая стоимость устройства;
- высокая вероятность аварийных ситуаций, связанных с возможностью недоведения ПП до интервала установки из-за несанкционированного выправления продольно гофрированной подвески или хвостовика из продольно гофрированных труб в основном стволе вследствие необходимости поддерживания большого расхода жидкости для отклонения отклоняющей головки на определенный угол от оси устройства при вхождении его в окно БС или при преодолении уступов и выхода из каверн;
- невозможность отсоединения устройства от ПП и извлечения его из скважины из-за конструктивного отсутствия узла захвата, отсоединения и извлечения;
- другое функциональное назначение устройства – отклонение гибкой трубы при проведении работ в пробуренных многоствольных скважинах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство направляющее для ввода хвостовика в боковой ствол (патент RU № 2483187, МПК Е21В 23/03, опубл. 27.05.2011 г., Бюл. № 15), включающее цилиндрическую часть и направляющую часть с косым срезом, боковое отверстие с соплом для прохода жидкости со стороны среза и выдвижной радиальный шток, расположенный в цилиндрической части со стороны бокового отверстия. При этом цилиндрическая часть выполнена сборной, состоящей из верхнего и нижнего блоков, соединенных между собой выше выдвижного штока шарнирным соединением с каналом с проходным сечением, большим, чем сечение сопла бокового отверстия, причем в цилиндрической части выше шарнирного соединения, позволяющего ограниченно отклонять нижний блок относительно верхнего в противоположную от штока сторону, выполнены радиальные отверстия, герметично перекрытые изнутри седлом бросового шарика, а между шарнирным соединением и седлом установлена пробка с боковым продольным проточным каналом, причем седло зафиксировано относительно верхнего блока в транспортном положении срезным элементом и выполнено с возможностью перемещения вниз до взаимодействия с пробкой, герметично перекрывающей проходной канал седла.
Недостатками устройства являются:
- невозможность извлечения устройства из скважины, так как его назначение – спуск в скважину хвостовика с последующим цементированием и в его конструкции отсутствуют устройства для захвата, отсоединения и извлечения из скважины;
- сложность конструкции и изготовления из-за наличия сложных и дорогостоящих в изготовлении сопрягаемых сферических поверхностей, сложность их герметизации и, как следствие, высокая стоимость устройства;
- невозможность прохождения устройством зон осложнений в виде осыпей и обвалов породы с верхней стенки ствола скважины или шламовых пробок, так как отсутствует устройство для их разрушения и удаления из скважины, что приводит к дополнительным спуско-подъёмным операциям (СПО) по извлечению ПП из скважины, спуску различных устройств для их разрушения и удаления из горизонтальной части ствола скважины или БС, а затем повторному спуску ПП;
- высокая вероятность аварийных ситуаций, связанных с невозможностью его выправления, так как шарик или продавочная пробка, которые вводятся с устья скважины, могут застревать в продольных гофрах ПП и не доходить до седла клапана устройства или застревать в посадочном устройстве ПП;
- необходимость дополнительного спуска инструмента для разбуривания башмака при продолжении бурения скважины после изоляции зоны осложнений ПП, что увеличит сроки строительства горизонтальных и многоствольных скважин и повысит их стоимость.
Техническими задачами предлагаемого изобретения являются создание простой в изготовлении и надежной в эксплуатации конструкции направляющего башмака для установки ПП в скважине, позволяющего преодолевать уступы и каверны, производить проработку ствола в процессе спуска и доведения ПП до интервала установки, управляемо герметично закрываться при установке ПП и полностью извлекать башмак из скважины по окончании операции по установке ПП, что позволит исключить дополнительные СПО инструмента для разбуривания башмака, сократить число аварийных ситуаций, что в конечном счёте сократит общее время и снизит стоимость строительства горизонтальных и многоствольных скважин.
Технические задачи решаются направляющим башмаком для установки профильного перекрывателя в скважине, включающим цилиндрическую часть и направляющую часть с косым срезом, боковое отверстие с соплом для прохода жидкости со стороны среза, при этом цилиндрическая и направляющая части соединены между собой шарнирным соединением, позволяющим ограниченно отклонять направляющую часть относительно оси устройства, причем седло клапана установлено в цилиндрической части.
Новым является то, что направляющая часть оснащена продольным отверстием, выходящим на косой срез меньшего диаметра, чем диаметр бокового отверстия, втулка клапана для свободного протекания жидкости в транспортном положении зафиксирована внутри профильной трубы над направляющим башмаком на штифтах, закреплённых внутри впадин, снабжена верхним и нижним стержнями, резиновой манжетой в верхней части, проточками с уплотняющими кольцами и пружинным фиксатором, расположенными на корпусе втулки ниже манжеты для взаимодействия с уплотняющими поверхностями и кольцевой выборкой, выполненными в корпусе седла клапана после освобождения втулки клапана при выправлении профильного перекрывателя, при этом цилиндрическая и направляющая части соединены полуосями, а герметизация внутренней полости осуществляется эластичным рукавом, закрепляемым герметично в цилиндрической и направляющей частях конусными втулками, направляющий  башмак сверху снабжен торцевыми выступами для взаимодействия с выступами ловителя для отворота, ниже которых установлен пружинный фиксатор, соединяющий и удерживающий башмак на ловителе при извлечении его из скважины.
На фиг. 1 показан направляющий башмак для установки ПП в скважине в транспортном положении (частично в разрезе).
На фиг. 2 – то же в рабочем положении (отклоненный башмак под действием реактивной силы струи жидкости).
На фиг. 3 – разрез А-А фиг. 1, шарнирное соединение.
На фиг. 4 – ловитель с посадочным устройством, установленными в верхней части ПП.
На фиг. 5 – выносной элемент Б (частично в разрезе).
На фиг. 6 – направляющий башмак, соединенный с ловителем при извлечении его из скважины после установки ПП (частично в разрезе).
Направляющий башмак 1 (фиг. 1) для установки ПП 2 в скважине 3 включает цилиндрическую часть 4 и направляющую часть 5 с косым срезом 6, боковое отверстие 7 с соплом 8 для прохода жидкости со стороны среза 6, при этом цилиндрическая 4 и направляющая части 5 соединены между собой шарнирным соединением 9 (фиг. 3), позволяющим ограниченно отклонять направляющую часть 5 (фиг. 2) относительно оси устройства. Причем седло 10 (фиг. 1 и 5) клапана 11 установлено в цилиндрической части 4 башмака 1. Направляющая часть 5 (фиг. 1) оснащена продольным отверстием 12, выходящим на косой срез 6 меньшего диаметра, чем диаметр бокового отверстия 7. Втулка 13 (фиг. 1 и 5) клапана 11 для свободного протекания жидкости в транспортном положении зафиксирована внутри профильной трубы 14 над направляющим башмаком 1 на штифтах 15, закреплённых внутри впадин. При этом втулка 13 снабжена верхним 16 и нижним 17 стержнями, а также резиновой манжетой 18 в верхней части, проточками с уплотняющими кольцами 19 (фиг. 5) и пружинным фиксатором 20, расположенными на корпусе втулки 13 ниже манжеты 18 для взаимодействия с уплотняющими поверхностями 21 и кольцевой выборкой 22, выполненными в корпусе седла 10 клапана 11 после освобождения втулки 13 клапана 11 при выправлении профильного перекрывателя 2 (фиг. 1). Цилиндрическая 4 и направляющая 5 части направляющего башмака 1 (фиг. 1 и 3) соединены полуосями 23 шарнирного соединения 9, а герметизация его внутренней полости осуществляется эластичным рукавом 24, закрепляемым герметично в цилиндрической 4 (фиг. 1) и направляющей 5 частях конусными втулками 25. Причем направляющий башмак сверху снабжен торцевыми выступами 26 (фиг. 1 и 5) для взаимодействия с выступами 27 (фиг. 1 и 4) ловителя 28 для отворота, ниже которых установлен пружинный фиксатор 29 (фиг. 1 и 5), соединяющий и удерживающий башмак 1 на ловителе 28 (фиг. 6) при извлечении его из скважины 3.
Технические соединительные и уплотнительные элементы, не влияющие на работоспособность устройства, для упрощения чертежей и описания на фигурах 1–6 не показаны или показаны условно.
Направляющий башмак работает следующим образом.
На устье скважины 3 (на фиг. 1 не показано) собирают ПП 2 из продольно гофрированных труб 14 с цилиндрическими концами (например, патент RU № 2439283 и т.п. – на фиг. 1, 2 и 4 не показаны). К цилиндрической части нижней профильной трубы 14 (фиг. 1 и 5) жестко присоединяют направляющий башмак 1 при помощи резьбы 30. К верхнему цилиндрическому концу верхней профильной трубы 14 (фиг. 4) присоединяют посадочное устройство 31 на проходной резьбе 32, например, посадочную головку с вальцующими роликами (например, пат. RU № 2439283) и т.п., оснащенную резьбой для соединения с последующими развальцевателями и бурильными трубами (на фиг. 4 не показаны). К посадочной головке 31 присоединен ловитель 28, например, при помощи резьбы 33 и т.п. способами. При этом выступы 27 ловителя 28 упираются в профильные впадины профильной трубы 14, предотвращая несанкционированное вращение посадочной головки 31 и отсоединение её от ПП 2 до полного его выправления давлением жидкости. Цилиндрическая 4 (фиг. 1) и направляющая 5 части направляющего башмака 1 соединены полуосями 23 (фиг. 3) шарнирного соединения 9, которые обеспечивают отклонение направляющей части 5 (фиг. 2) только в одной плоскости, а конструкция цилиндрической части 4 ограничивает её отклонение на определённый угол 2–4° и только в одном направлении – противоположном скосу 6. Герметизация шарнирного соединения 9 (фиг. 1 и 3) и внутренней полости башмака 1 осуществляется эластичным рукавом 24, закрепляемым герметично в цилиндрической 4 и направляющей 5 частях конусными втулками 25 (фиг. 1). При этом эластичный рукав 24 одновременно выполняет роль пружины, возвращая направляющую часть 5 в исходное положение при прекращении прокачивания промывочной жидкости через башмак 1 при продвижении ПП 2 по ровному участку ствола скважины 3.
Простота конструкции направляющего башмака 1 позволяет повысить его надежность и работоспособность за счет применения стандартных и технологичных в изготовлении деталей, упрощения герметизации их между собой и внутренней полости башмака 1, что не требует специальных обрабатывающих станков для его изготовления, повышает ремонтопригодность и снижает стоимость устройства.
Собранный ПП 2 (фиг. 2) спускают в скважину 3 в интервал установки 34 на колонне бурильных труб (не показаны) с периодической промывкой для корректировки технологических параметров бурового раствора с целью предотвращения дальнейшего увеличения зоны осложнений в интервале установки 34 ПП 2. В случае упора направляющего башмака 1 в уступ, каверну, шламовую пробку или осыпавшуюся породу (на фиг. 2 не показаны), что фиксируется снижением веса колонны труб на индикаторе веса на устье скважины (не показано), приподнимают колонну труб на устье скважины 3 так, чтобы можно было соединиться с ведущей трубой (на фиг. 2 не показана) и буровым насосом или цементировочным агрегатом (не показаны), начинают прокачивать промывочную жидкость с расходом, определяемым эмпирически для каждого типоразмера ПП 2 в зависимости от его диаметра, толщины стенки, глубины скважины 3 и т.п. факторов, которая, протекая через ПП 2, корпус башмака 1, боковое 7 и продольное 12 отверстия (фиг. 2), не создаёт перепада давления, достаточного для выправления ПП 2 (например, патент RU № 2339786), поэтому не происходит изменения геометрических размеров профильных труб 14 ПП 2 и они не выправляются, а реактивная сила струи жидкости, вытекающей из бокового отверстия 7, достаточна для отклонения на 2–4° направляющей части 5 башмака 1, оснащенной косым срезом 6 от оси устройства, и преодоления уступа или выхода из каверны и дальнейшего продвижения ПП 2 по стволу скважины 3. С целью предотвращения размыва бокового 7 и продольного 12 отверстий абразивными частицами промывочной жидкости их оснащают соплами 8, которые изготавливают из износостойкого материала.
В случае необходимости механического разрушения шламовой пробки или участка осыпавшейся породы (на фиг. 2 не показаны) начинают вращать колонну труб ротором (на фиг. 2 не показаны) и плавно опускать её в скважину, при этом выступы 27 (фиг. 2 и 4) ловителя 28 упираются в профильные впадины верхней профильной трубы 14 и передают вращающий момент ПП 2 (фиг. 2) с направляющим башмаком 1. Направляющая часть 5 башмака 1 с косым срезом 6, отклоняясь от оси устройства и вращаясь, своим острым концом механически разрушает и струёй из продольного отверстия 12 вымывает шламовую пробку или осыпавшуюся породу, а струя жидкости из бокового отверстия 7 подхватывает частицы шлама и породы и выносит из скважины 3 на поверхность. Освободив ствол скважины 3 (фиг. 2) от загрязнений для прохода ПП 2, что фиксируется восстановлением веса колонны труб на индикаторе веса на устье (на фиг. 2 не показан), продолжают спуск ПП 2 в скважину 3 в обычном режиме. Доставив ПП 2 в интервал установки 34 в случае необходимости закачки в зону осложнений тампонирующих или закрепляющих смесей, для лучшей и качественной их изоляции (например, патент RU № 2463433) закачка производится с учетом их вязкости, чтобы не создать преждевременного перепада давления жидкости на соплах 8 бокового 7 и продольного 12 отверстий. Для установки ПП 2 подключают второй буровой насос (на фиг. 2 не показан), расход жидкости увеличивается, в результате чего давление в бурильных трубах и ПП 2 возрастает и профильные трубы 14 начинают выправляться (например, патент RU № 2339786). Штифты 15 (фиг. 1 и 5), закреплённые на внутренней поверхности впадин профильной трубы 14, расходятся и освобождают верхний стержень 16 втулки 13 клапана 11, которая потоком жидкости перемещается в седло 10 клапана 11 и надежно фиксируется пружинным фиксатором 20 в кольцевой выборке 22 и герметизирует внутреннюю полость ПП 2 уплотняющими кольцами 19, взаимодействующими с уплотняющими поверхностями 21, выполненными в корпусе седла 10 клапана 11. Для предотвращения аварийной ситуации, связанной с перекашиванием втулки 13 в профильной трубе 14 или в цилиндрической части 4 башмака 1 и невозможностью полного выправления ПП 2 в скважине 3 (фиг. 1), предназначен нижний стержень 17 втулки 13, который в процессе сборки ПП 2 на устье скважины 3 располагают в седле 10 (фиг. 5) клапана 11 и который является направляющей частью втулки 13. При этом фиксатор 20 может быть выполнен, например, в виде подпружиненной призмы, подпружиненного штифта, разрезного пружинного кольца, как показано на фиг. 5 и т.п. устройств. Причем пружинный фиксатор 20 может располагаться как в направляющем башмаке 1 ниже седла 10, так и в подвесной втулке 13 в виде разрезного пружинного кольца, как показано на фиг. 1, 2 и 5.
При посадке втулки 13 в седло 10 клапана 11 происходит повышение давления, что фиксируется манометром на устье скважины (на фиг. 2 не показан). Насосы останавливают. Затем повышение давления внутри ПП 2 (фиг. 2) производят одним насосом (на фиг. 2 не показан) с минимальной подачей до полного выправления ПП 2 и плотного прижатия его к стенкам скважины 3 с целью предотвращения разрушения ПП 2 от гидравлического ударного давления и снятия внутреннего напряжения металла в стенках ПП 2, образующегося при профилировании труб 14.
Таким образом повышается надёжность работы направляющего башмака 1, упрощается способ доставки и установки ПП 2 в скважине 3, улучшается качество изоляционных работ за счет исключения аварийных ситуаций, связанных с недохождением ПП 2 до интервала установки 34 для перекрытия зоны осложнений, в особенности в горизонтальных участках ствола в горизонтальных и БС многоствольных скважин, исключаются дополнительные непроизводительные СПО благодаря использованию направляющего башмака 1 (фиг. 2) с продольным 12 и боковым 7 отверстиями, позволяющими производить промывку скважины 3 в процессе спуска ПП 2 и выравнивать технологические параметры бурового раствора для предотвращения дальнейшего увеличения зоны осложнений 34, отклонять и направлять ПП 2 по оси ствола скважины 3 при встрече его с уступами, кавернами, провалами и резкими перегибами ствола скважины 3, размывать осыпавшуюся с верхней стенки скважины 3 породу или шламовые пробки струёй жидкости из продольного отверстия 12 и разрушать их механически за счет вращения отклоненной направляющей части 5 с острым концом. Также повышается надежность и качество процесса установки ПП 2 за счет исключения аварийных ситуаций, связанных с засорением клапана 11 направляющего башмака 1 и несанкционированным или неполным выправлением ПП 2. Повышается надежность работы направляющего башмака 1 с появлением у него функции управления герметичным закрытием клапана 11 в процессе установки ПП 2 давлением жидкости. Тем самым сокращаются сроки и снижается стоимость строительства скважин, особенно горизонтальных и многоствольных.
Далее ПП 2 (фиг. 6) развальцовывают по всей длине, например, компоновкой роликовых или шарошечных развальцевателей (на фиг. 6 не показаны), в которую входит посадочная головка 31, расширяя и плотно прижимая к стенкам скважины 3 цилиндрические участки и калибруя профильные участки труб 14 (например, патент RU № 2439283 и т.п.). При подходе посадочной головки 31 с ловителем 28 к башмаку 1 выступы 27 ловителя 28 входят в зацепление с выступами 26 в верхней части башмака 1 и вывинчивают его по резьбе 30 (фиг. 2) из ПП 2. Одновременно ловитель 28 (фиг. 6) входит в зацепление с цилиндрической частью 4 башмака 1 и фиксируется его пружинным фиксатором 29 за проточку 35, которые соединяют и удерживают башмак 1 на ловителе 28 до окончания развальцовывания нижних цилиндрических участков ПП 2 и извлечения башмака 1 из скважины 3 на поверхность. Компоновка развальцевателей, осуществляющая окончательную операцию по расширению и плотному прижатию ПП 2 к стенкам скважины 3, разрушает штифты 15 (фиг. 5) и выравнивает внутреннюю поверхность нижней профильной трубы 14 для последующего прохода бурильного инструмента. Тем самым упрощается технология установки ПП 2 для изоляции зон осложнений 34 при бурении скважин за счет исключения операции по разбуриванию направляющего башмака 1, что позволит сократить общее время и снизить стоимость строительства горизонтальных и многоствольных скважин.
Предлагаемый направляющий башмак 1 (фиг. 1) для установки ПП 2 в скважине 3 обладает простой в изготовлении и надежной в эксплуатации конструкцией, упрощает способ доставки и установки ПП 2 и извлечение башмака 1 после его установки в скважине 3, обеспечивает улучшение качества и надежности изоляции зон осложнений 34, в особенности в горизонтальных и БС многоствольных скважин, что позволит сократить общее время и снизить стоимость строительства таких скважин.