ЯКОРЬ СКВАЖИННЫЙ
BOREHOLE ANCHOR

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для закрепления и установки в скважине спускаемого оборудования при бурении, эксплуатации, проведении технологических операций и аварийных работ.
Известен скважинный якорь (ПМ №30385 МПК Е21В 33/12, опубл. 27.06.2003.), содержащий:
• полый шток с верхним переводником для соединения с колонной труб,
• корпус, установленный на штоке под верхним переводником с возможностью вращения и продольного перемещения,
• плашки, установленные в корпусе с возможностью радиального перемещения и снабженные в средней части ограничительным кольцом, а в нижней части подпружиненным фрикционным фонарем, выполненным в виде фигурных выступов, взаимодействующих со стенкой обсадной колонны,
• узел фиксации плашек в транспортном положении, включающий радиально установленный в штоке неподвижный палец, взаимодействующий с нижней частью короткого паза, являющегося частью фигурного паза, выполненного в крышке, расположенной в нижней части корпуса,
• узел перемещения плашек в рабочее положение, включающий палец, взаимодействующий с длинной частью фигурного паза, и конус, взаимодействующий с плашками и выполненный в нижней части верхнего переводника.
Недостатком известного якоря является ограниченная область эксплуатации, обусловленная невозможностью его использования в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах с большими углами набора кривизны профиля. Это объясняется тем, что для расклинивания плашек в месте установки якоря необходим проворот штока по часовой стрелке на 2-3 оборота, для чего необходимо осуществить вращение колонны труб, на которых спускается якорь. Поэтому на участках скважины со значительным углом набора кривизны ее ствола на трубы при их вращении будут воздействовать нагрузки одновременного изгиба и кручения. Учитывая, что замковые соединения труб обладают гораздо большей жесткостью по сравнению с кольцевым сечением труб, в резьбовых соединениях муфт и ниппелей замков при их вращении будут возникать значительные знакопеременные нормальные и касательные напряжения, суммарное воздействие которых может привести к необратимым деформациям, возникновению трещин в резьбах муфт и ниппелей, с последующим их разрушением, обрывом и падением части компоновки колонны труб с известным якорем на забой скважины. Ликвидация такой аварии потребует значительных временных и финансовых затрат, поэтому известный якорь можно применять только в вертикальных скважинах или скважинах с незначительной кривизной профиля, что ограничивает его эксплуатационные возможности.
К недостаткам известного якоря следует также отнести его низкую надежность, обусловленную конструкцией плашек, снабженных подпружиненным фрикционным фонарем, постоянно взаимодействующим со стенкой обсадной колонны. Учитывая, что спуск известного якоря в транспортном положении в интервал установки производится на колонне труб, которые необходимо свинчивать при наращивании каждой очередной трубы, а затем осуществлять спуск колонны труб с фиксацией верхней трубы в клиньях ротора, слайдера или элеватора, возможна ситуация нештатного преждевременного срабатывания якоря в процессе спуска до достижения необходимого интервала его установки. Причиной этого может быть совокупность следующих обстоятельств:
• постоянный контакт подпружиненного фрикционного фонаря со стенкой обсадной колонны, вследствие чего плашки, закрепленные в корпусе, и фигурный паз, выполненный в крышке корпуса, будут зафиксированы силой трения фонаря от вращения и продольного перемещения относительно обсадной колонны во время остановки колонны труб для наращивания очередной трубы. В противном случае известный якорь был бы неработоспособен. В то же время элементы конструкции якоря, соединенные с полым штоком, и, следовательно, с подвижной колонной труб, а именно: палец и конус, имеют возможность как продольного перемещения, так и проворота относительно фигурного паза и плашек;
• исходное (транспортное) положение пальца при спуске известного якоря в скважину, при котором палец должен находиться в нижней части короткого паза. Поэтому подрыв колонны труб вверх для освобождения верхней трубы из клиньев ротора, слайдера или элеватора для осуществления операции наращивания очередной трубы приведет к тому, что жестко соединенный с подвижной колонной труб полый шток с пальцем переместится вверх по короткой части фигурного паза крышки, неподвижной относительно обсадной колонны. Учитывая, что при средней длине трубы бурильной колонны, равной 12 метрам, и ориентировочной глубине установки якоря, равной 1000…3000 м, спущенная в скважину колонна труб с известным якорем будет содержать не менее 80…250 труб. Даже если эти трубы будут свинчены в свечи по 2 трубы, для спуска якоря в интервал установки от 1000 м до 3000 м необходимо произвести не менее 40…125 подрывов колонны труб вверх, что увеличивает вероятность перемещения пальца вверх по короткой части фигурного паза. Поэтому даже незначительный поворот колонны труб по часовой стрелке приведет к перемещению пальца из короткой части фигурного паза в его длинную часть. Возможность такого поворота колонны труб может быть обусловлена конфигурацией ствола скважины, которая, даже будучи вертикальной, представляет собой винтовую линию, что допускает возможность поворота колонны труб при ее перемещении в скважине;
• свинчивание замковых соединений в бурильной колонне. При средней длине бурильной трубы, равной 12 м, и ориентировочной глубине установки якоря, равной 1000…3000 м, спущенная в скважину колонна труб будет содержать не менее 80…250 труб. Даже если эти трубы будут свинчены в свечи по 2 трубы, для спуска якоря в интервал установки от 1000 м до 3000 м необходимо произвести не менее 40…125 свинчиваний замковых соединений. Так как каждая из операций свинчивания при наращивании очередной свечи предполагает докрепление резьбового соединения, то при этом может произойти поворот трубы, закрепленной в клиньях ротора, по часовой стрелке на некоторый угол. Тем самым, на этот же угол будет повернута по часовой стрелке и спущенная в скважину колонна труб с известным якорем, что приведет к перемещению пальца из короткой части фигурного паза в его длинную часть. Наиболее вероятна такая ситуация в начале спуска якоря, когда колонна бурильных труб не имеет достаточной массы для надежной фиксации в клиньях ротора или слайдера;
• последующий спуск колонны труб с очередной наращенной трубой, что приведет к перемещению конуса вниз до его взаимодействия с неподвижными плашками и нештатному преждевременному срабатыванию якоря.
Для расфиксации сцепления плашек со стенками обсадной колонны необходим подрыв колонны труб с полым штоком вверх, что приведет к выходу конуса из взаимодействия с плашками. Однако последующий спуск якоря в необходимый интервал установки может вновь привести к преждевременному его срабатыванию по вышеизложенному сценарию.
Совокупность перечисленных недостатков известного устройства существенно снижает надежность его работы и ограничивает область эксплуатации.
Известен «Якорь гидравлический типа ЯГ» (Абубакиров В. Ф. и др. «Оборудование буровое, противовыбросовое и устьевое» Справ, пособ.: т. 2. М. ООО «ИРЦ Газпром», 2007, с. 604, рис. 11.47.), содержащий
• ствол со сквозным осевым каналом и муфтой в верхней части, содержащий конус, размещенный на стволе под муфтой, кольцевой упор в средней части и переводник в нижней части,
• подвижный плашкодержатель, установленный на стволе над кольцевым упором,
• плашки, установленные на конусе с возможностью перемещения и взаимодействующие с плашкодержателем,
• неподвижный кожух, соединенный с переводником и выполненный в виде кольцевого цилиндра, образующего с наружной поверхностью ствола кольцевую полость ниже кольцевого упора,
• поршень, подвижно установленный на стволе в кольцевой полости и взаимодействующий с плашкодержателем,
• узел фиксации плашкодержателя и плашек в транспортном положении, включающий срезные штифты, соединяющие плашкодержатель с кожухом,
• сквозное отверстие в стенке ствола, гидравлически сообщающее кольцевую полость с полостью ствола,
• уплотнительные элементы, герметизирующие подвижные взаимодействия и неподвижные соединения деталей
Недостатком известного якоря является ограниченность эксплуатационных возможностей, обусловленная его конструкцией и заключающаяся в невозможности его многократного применения, например, при проведении МСГРП (многостадийных гидроразрывов пласта) или соляно-кислотных обработок, требующих установки известного якоря в нескольких интервалах скважины за одну спуско-подъемную операцию. Невозможность дальнейшего спуска в скважину известного якоря после срабатывания объясняется тем, что после среза винтов, фиксирующих транспортное положение плашкодержателя, и сцепления плашек со стенкой обсадной колонны, подъем якоря для освобождения обеспечивает лишь расцепление зубчатых рабочих поверхностей плашек с зоной их врезки в стенку обсадной колонны. А поскольку в конструкции известного якоря отсутствует отводящий механизм для перевода плашек в транспортное положение и создания гарантированного зазора между зубчатой рабочей поверхностью плашек и стенкой скважины, то контакт плашек со стенкой обсадной колонны будет сохраняться. Поэтому при спуске якоря в очередной интервал скважины плашка, взаимодействующая со стенкой скважины благодаря силам трения, будет тормозиться и остановится, что при ее взаимодействии с подвижным конусом приведет к срабатыванию якоря, вследствие чего дальнейший спуск его будет невозможен.
Поэтому для спуска уже сработавшего якоря в следующий интервал скважины необходимо произвести его подъем и вновь осуществить фиксацию плашек срезными винтами и такие действия необходимо осуществлять перед каждым спуском, что увеличивает временные затраты и трудоемкость использования известного якоря и является его недостатком.
Совокупность перечисленных недостатков известного устройства ограничивает его эксплуатационные возможности, а также увеличивает временные затраты и трудоемкость при его использовании.
Задачей изобретения является создание технического решения якоря, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является расширение эксплуатационных возможностей, снижение трудоемкости и временных затрат при использовании якоря.
Для обеспечения этого результата известный якорь, содержащий:
• ствол со сквозным осевым каналом и муфтой в верхней части, содержащий конус, размещенный на стволе под муфтой, кольцевой упор в средней части и переводник в нижней части,
• подвижный плашкодержатель, установленный на стволе над кольцевым упором,
• плашки, установленные на конусе с возможностью перемещения и взаимодействующие с плашкодержателем,
• кожух, выполненный в виде кольцевого цилиндра, образующего с наружной поверхностью ствола основную кольцевую полость ниже кольцевого упора,
• узел фиксации плашкодержателя и плашек в транспортном положении, включающий срезные штифты,
• поршень, установленный на стволе под кольцевым упором и взаимодействующий с плашкодержателем,
• сквозное отверстие в стенке ствола, выполненное под поршнем,
• уплотнительные элементы, герметизирующие подвижные взаимодействия и неподвижные соединения деталей,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
• в нижнем переводнике выполнена расточка, образующая со стволом дополнительную кольцевую полость, в которой расположен поршень,
• при этом кожух выполнен подвижным и соединен с поршнем и плашкодержателем,
• сквозное отверстие, выполненное в стенке ствола под поршнем, гидравлически сообщает дополнительную кольцевую полость с полостью сквозного осевого канала ствола,
• узел фиксации плашкодержателя и плашек в транспортном положении дополнительно содержит узел многократного среза срезных штифтов, расположенный в основной кольцевой полости и включающий
• штифтодержатель, соединенный с верхней частью поршня и содержащий расположенные в одной диаметральной плоскости, равномерно распределенные по окружности радиальные отверстия, в которых установлены с возможностью перемещения срезные штифты,
• возвратную пружину сжатия, расположенную под кольцевым упором,
• взаимодействующую с возвратной пружиной сжатия подвижную подающую втулку, установленную на проточке диаметром D ствола под кольцевым упором, в нижней части которой выполнена конусная расточка, взаимодействующая с внешними торцами срезных штифтов, обращенных к кожуху,
• отрезное кольцо, неподвижно установленное на проточке диаметром d ствола (при этом D>d) и взаимодействующее с внутренней частью срезных штифтов, контактирующих плоскими торцами с поверхностью проточки ствола диаметром d, причем наружный диаметр отрезного кольца Dн равен D, а внутренний диаметр отрезного кольца dв равен d,
• и узел сбора отрезков срезных штифтов, включающий поджимную пружину сжатия, установленную в расточке, выполненной в нижней части поршня,
• подвижный отсекатель, выполненный в виде ступенчатой втулки, установленной в расточке, выполненной в нижней части поршня, и нижним торцом нижней ступени взаимодействующей с поджимной пружиной сжатия, а верхней заостренной кромкой, выполненной в виде усеченного кольцевого конуса на верхней ступени, взаимодействующей со срезными штифтами,
• и кольцевую камеру для сбора отрезков срезных штифтов, выполненную в виде расточки в штифтодержателе,
• причем нижний торец штифтодержателя взаимодействует с верхним торцом нижней ступени втулки подвижного отсекателя,
• а торцы срезных штифтов, взаимодействующие с конусной расточкой подающей втулки, выполнены в виде наружной полусферы.
Изобретение поясняется чертежами:
• на фиг. 1 изображен заявляемый якорь с плашками, зафиксированными в транспортном положении;
• на фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1;
• на фиг. 3 изображен в увеличенном виде фрагмент Б на фиг. 1.
• на фиг. 4 изображен заявляемый якорь с плашками, выдвинутыми в рабочее положение;
• на фиг. 5 изображен заявляемый якорь с плашками, возвращенными в транспортное положение.
Заявляемый якорь (фиг. 1) включает в себя ствол 1 с муфтой 2 в верхней части и содержит конус 3, размещенный на стволе 1 под муфтой 2, кольцевой упор 4 в средней части, переводник 5 в нижней части и сквозной осевой канал 6. В фигурных Т-образных пазах 7 конуса 3 (на фиг. 2) установлены подвижные плашки 8, взаимодействующие с подвижным плашкодержателем 9, установленным на стволе 1 над кольцевым упором 4, на котором с возможностью перемещения установлен подвижный кожух 10, соединенный с плашкодержателем 9 и выполненный в виде кольцевого цилиндра, образующего под кольцевым упором 4 основную кольцевую полость 11 со стволом 1.
В нижней части кожух 10 соединен с подвижным поршнем 12, установленным в дополнительной кольцевой полости 13, образованной расточкой 14, выполненной в переводнике 5, и стволом 1. Сквозное отверстие 15 в стенке ствола 1, выполненное под поршнем 12, гидравлически сообщает дополнительную кольцевую полость 13 с полостью сквозного осевого канала 6 ствола 1.
Узел фиксации 16 плашкодержателя 9 и плашек 8 в транспортном положении, включающий срезные штифты 17, дополнительно содержит узел 18 их многократного среза, расположенный в основной кольцевой полости 11 (фиг. 1, 3). В состав узла 18 входят штифтодержатель 19, соединенный с верхней частью поршня 12 и содержащий расположенные в одной диаметральной плоскости, равномерно распределенные по окружности радиальные отверстия 20, в которых установлены с возможностью перемещения срезные штифты 17, и возвратная пружина сжатия 21, расположенная под кольцевым упором 4 и взаимодействующая с подвижной подающей втулкой 22, установленной на проточке 23 диаметром D ствола 1 под кольцевым упором 4. В нижней части подающей втулки 22 выполнена конусная расточка 24, взаимодействующая с внешними торцами 25 срезных штифтов 17, выполненными в виде наружной полусферы 26. Отрезное кольцо 27, неподвижно установленное на проточке 28 диаметром d ствола 1 (при этом D>d), взаимодействует с внутренней частью 29 срезных штифтов 17, контактирующих плоскими торцами с поверхностью проточки 28. При этом наружный диаметр отрезного кольца 27 Dн=D, а внутренний диаметр отрезного кольца 27 dв=d.
Узел сбора 30 отрезков 31 срезных штифтов 17 (фиг. 3 и 4) содержит подвижный отсекатель 32, выполненный в виде ступенчатой втулки, установленной в расточке 33, выполненной в нижней части поршня 12, и нижним торцом 34 нижней ступени 35 взаимодействующей с поджимной пружиной сжатия 36, установленной в расточке 33, а верхней заостренной кромкой 37, выполненной в виде усеченного кольцевого конуса на верхней ступени 38, взаимодействующей со срезными штифтами 17, причем нижний торец 39 штифтодержателя 19 взаимодействует с верхним торцом 40 нижней ступени 35 отсекателя 32. Кроме того, в состав узла сбора 30 входит кольцевая камера 41 для сбора отрезков 31 срезных штифтов 17, выполненная в виде расточки в штифтодержателе 19.
Герметизация поршня 12 в дополнительной кольцевой полости 13 осуществляется уплотнительными элементами 42.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Якорь на присоединенной к муфте 2 (фиг. 1) колонне труб (не показаны) спускают в скважину до места установки. При этом давление жидкости в колонне труб, сквозном осевом канале 6 ствола 1, сквозном отверстии 15 и под поршнем 12 в дополнительной кольцевой полости 13 будет равно гидростатическому внутри обсадной колонны 43. В процессе спуска плашки 8 зафиксированы в транспортном положении с гарантированным зазором между рабочей поверхностью плашек 8 и внутренней стенкой обсадной колонны 43 посредством узла 16 фиксации плашкодержателя 9 и плашек 8 в транспортном положении, детали которого при этом взаимодействуют между собой следующим образом:
• плашки 8, взаимодействуя с подвижным плашкодержателем 9, соединенным с кожухом 10, возвратной пружиной сжатия 21, воздействующей от неподвижного кольцевого упора 4 на подающую втулку 22, а втулкой 22 через штифты 17, штифтодержатель 19 и соединенный с ним поршень 12 отводятся в крайнее нижнее положение и, совершая плоскопараллельное движение, одновременно отводятся по конической поверхности 7 в радиальном направлении от внутренней стенки обсадной колонны 43, занимая транспортное положение (фиг. 1, 2), обеспечивающее отсутствие контакта между рабочей поверхностью плашек 8 и внутренней стенкой обсадной колонны 43 благодаря гарантированному зазору между ними;
• подающая втулка 22, воздействуя конусной расточкой 24 на внешние торцы 25 срезных штифтов 17, выполненных в виде наружных полусфер 26, перемещает штифты 17 вниз. При этом внутренняя часть 29 (на фиг. 3) штифтов 17 перемещается под отрезное кольцо 27 и одновременно через радиальные отверстия 20, выполненные в штифтодержателе 19, от воздействия конусной расточки 24 штифты 17 перемещаются в радиальном направлении к оси ствола 1, прижимаясь плоским торцом внутренней части 29 к наружной поверхности проточки 28 ствола 1 под отрезным кольцом 27;
• благодаря неподвижности отрезного кольца 27, связанного со стволом 1, и взаимодействию внутренней части 29 штифтов 17 с режущей кромкой отрезного кольца 27, штифты 17, будучи размещенными в радиальных отверстиях 20, выполненных в штифтодержателе 19, обеспечивают фиксацию всех подвижных деталей узла 16 в неподвижном состоянии относительно ствола 1, в том числе и отведенных в транспортное положение плашек 8.
Таким образом, совокупность отличительных признаков узла 16 фиксации плашек 8 в транспортном положении обеспечивает гарантированное отсутствие контакта плашек 8 с внутренней стенкой обсадной колонны 43 в процессе спуска заявляемого якоря, что повышает безопасность его эксплуатации.
После спуска в заданный интервал посадки заявляемый якорь приводят в рабочее положение (фиг. 4), для чего известным способом перекрывают сквозной осевой канал 6 ствола 1 сбрасываемыми в колонну труб шаром или пробкой в нижерасположенное оборудование (не показано) и нагнетают в колонну труб рабочую жидкость, давление от которой через сквозной осевой канал 6 и сквозное отверстие 15 передается в дополнительную кольцевую полость 13, воздействуя на поршень 12. Усилием от давления рабочей жидкости поршень 12, а с ним штифтодержатель 19 и размещенные в радиальных отверстиях 20 штифты 17 перемещаются вверх относительно неподвижного ствола 1 и отрезного кольца 27, в результате чего происходит срез выступающей из штифтодержателя 19 внутренней части 29 срезных штифтов 17 и расфиксация подвижных деталей узла 16 - плашкодержателя 9 и кожуха 10.
Последние, будучи соединенными с поршнем 12 и двигаясь по стволу 1 вверх, перемещают в фигурных пазах 7 по конической поверхности 3 плашки 8 (фиг. 2, 4), которые, осуществляя плоскопараллельное движение вверх и наружу в радиальном направлении, врезаются во внутреннюю стенку обсадной колонны 43, сцепляясь с ней и обеспечивая неподвижность относительно обсадной колонны 43 как самого заявляемого якоря, так и соединенного с ним нижерасположенного оборудования.
Одновременно с этим штифты 17, перемещаемые штифтодержателем 19, после среза внутренней части 29 в виде отрезка 31 вновь образовавшимся плоским торцом войдут в контакт с проточкой 23 диаметром D выше отрезного кольца 27 и воздействуя полусферами 26 на конусную расточку 24 подающей втулки 22 переместят ее вверх, сжимая возвратную пружину 21. При этом поршень 12, сжимая поджимную пружину 36, переместит вверх по проточке 28 диаметром d отсекатель 32 до упора его верхней заостренной кромки 37 в отрезное кольцо 27, в результате чего отрезки 31 срезных штифтов 17 будут вытеснены из контакта с отрезным кольцом 27 и под силой тяжести упадут вниз в кольцевую камеру 41 для сбора отрезков 31.
Тем самым, дополнительное снабжение заявляемого якоря узлом сбора 30 отрезков 31 срезных штифтов 17 предотвращает возможность заклинивания перемещаемых деталей заявляемого якоря, что способствует повышению надежности его работы.
После проведения комплекса операций с нижерасположенным технологическим оборудованием и необходимости перемещения этого оборудования в другой интервал скважины для выполнения очередного комплекса операций, заявляемый якорь рассоединяют с обсадной колонной 43, для чего известным способом снижают давление в колонне труб до гидростатического и приподнимают колонну труб с заявляемым якорем. При этом плашки 8 выходят из сцепления со стенкой обсадной колонны 43 и под действием возвратной пружины 21, будучи соединенными с плашкодержателем 9 и кожухом 10, будут осуществлять плоскопараллельное движение вниз и к оси ствола 1 в радиальном направлении, возвращаясь в транспортное положение (фиг. 4, 5).
Одновременно с этим от взаимодействия возвратной пружины 21 с подающей втулкой 22, последняя будет перемещаться вниз и своей конусной расточкой 24, воздействуя на полусферы 26 срезных штифтов 17, будет также перемещать их вниз. Штифты 17, будучи размещенными в радиальных отверстиях 20 штифтодержателя 19, будут перемещать его, а, следовательно, и соединенный с ним поршень 12 вниз, и, переместившись вниз под отрезное кольцо 27, от воздействия конусной расточки 24 переместятся в радиальных отверстиях 20 к оси ствола 1 и будут прижаты плоским торцом внутренней части 29 к проточке 28 диаметром d под отрезным кольцом 27.
Этому не будет препятствовать верхняя заостренная кромка 37 отсекателя 32, поскольку штифтодержатель 19, воздействуя нижним торцом 39 на верхний торец 40 нижней ступени 35, переместит отсекатель 32 вниз. Таким образом, все перемещаемые детали заявляемого якоря вновь займут транспортное положение, и заявляемый якорь будет вновь готов для очередного использования.
Тем самым, совокупность отличительных признаков расширяет эксплуатационные возможности заявляемого якоря. Количество использований якоря за один спуск в скважину зависит от длины штифтов 17 и количества их срезов, которые могут быть доведены конструктивно до количества необходимых использований заявляемого якоря за один спуск для проведения цикла работ в скважине.
Таким образом, использование заявляемого устройства обеспечивает повышение надежности, безопасности работы, снижение трудоемкости и временных затрат при использовании, а также расширение эксплуатационных возможностей по сравнению с аналогом и прототипом.