ТРУБОРЕЗ-ТРУБОЛОВКА
CUTTER AND PULL SPEAR

Изобретение относится к области бурения и капитального ремонта скважин и предназначено для отрезания и удаления участков насосно-компрессорной трубы из скважин.
Известна скважинная труборезка (см. ПАТ. США №4646826, Мкл. E21B 29/00; НКИ 166/65.3, заявл. 29.07.85 г., №759737, опубл. 03.03.87 г.). Устройство состоит из корпуса с подпружиненным плунжером в верхней части.
В корпусе по периметру выполнены продольные пазы, в которых располагаются отрезные элементы со сменными насадками.
Под воздействием давления рабочей жидкости плунжер перемещается вниз с воздействием на отрезные элементы с их поворотом на шарнирах до соприкосновения кромок отрезных элементов со стенкой отрезаемой трубы. По мере отрезания трубы, в процессе вращения устройства, отрезные элементы внедряются в стенку трубы с усилием, сообщаемым плунжером. По окончании процесса отрезки и после сброса давления усилием сжатой пружины плунжер возвращается в исходное положение, а отрезные элементы вводятся в продольные пазы.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- наличие трех отрезных элементов, расположенных равномерно по периметру в продольных пазах корпуса, которые взаимодействуют с торцевой поверхностью силового плунжера. В этом случае имеет место возможность неравномерного нагружения резцов, поскольку внутренняя поверхность труб имеет различные дефекты в виде трещин, раковин, волосовин. При этом существуют условия, которые могут привести к разрушению резцов и прекращению процесса резания;
- отсутствие условий фиксации устройства в осевом канале отрезаемой трубы также может привести к неравномерному нагружению режущих элементов;
- наличие трех режущих элементов, разнесенных по периметру корпуса, не позволяет применить такую конструктивную схему для разработки устройства, чтобы отрезать трубы малого диаметра, т.е. имеет место проблема создания такого устройства для труб с малым диаметром применения;
- устройство не имеет возможности захвата отрезанного участка трубы, чтобы извлечь его из скважины сразу после отрезки. Для этого необходимо применить отдельно выполненное ловильное устройство с его спуском в осевой канал отрезанного участка трубы.
Известна конструкция скважинного трубореза-фрезера (см. а.с. №926233, Мкл. E21B 29/00, заявл. 04.02.80 г., опубл. 07.05.82 г., бюл. №17).
Труборез-фрезер включает корпус, внутри которого в верхней части размещен поршень со штуцером.
Поршень опирается на возвратную пружину. Кольцевая полость между поршнем и корпусом сообщается радиальными каналами с полостью скважины при нахождении в ней трубореза. Поршень в нижней части выполнен конусным для взаимодействия с ответной конусной поверхностью резцедержателя с резцами, которые размещены на пальцах в продольных пазах корпуса.
Корпус снабжен сигнализатором в нижней части, представляющим собой стержень с конической вершиной, для частичного перекрытия сечения штуцера, в момент выдвижения резцедержателей с резцами в крайнее положение. Выход стержня регулируется втулкой и пружиной.
Фиксация положения резцедержателей в крайнем положении осуществляется ограничителем.
Труборез-фрезер работает следующим образом:
На колонне труб устройство опускается в скважину на заданную глубину. Осуществляют передачу крутящего момента и подают под давлением рабочую жидкости. Поршень со штуцером перемещаются в корпусе с сжатием возвратной пружины и вводом конуса во взаимодействие с резцедержателями, что приводит к его контакту с телом отрезаемой трубы. По мере вращения корпуса и создания силовой радиальной нагрузки на резцедержателе происходит отрезка трубы.
При нахождении резцов резцедержателя в крайнем положении, т.е. при максимальном раскрытии, резцедержатель входит в контакт с ограничителем с остановкой поршня. В этом положении конус стержня частично перекроет сечение штуцера, что приведет к скачку давления на устье скважины и служит сигналом отрезки.
После этого осуществляют фрезерование нижней части трубы с осевым перемещением вниз устройства путем подачи колонны труб.
Для охлаждения резцов и промывки скважины осуществляют подачу промывочной жидкости и усилием возвратной пружины поршень возвращается в исходное положение с вводом резцов в продольные пазы корпуса. В таком положении устройство извлекается на поверхность.
К недостаткам конструкции устройства можно отнести:
- отсутствие центровки резцедержателей с резцами относительно отрезаемой трубы при наличии дефектов на стенке трубы, раковины, волосовины и т.д. Существуют условия неравномерного нагружения резцов при резке трубы, что при наличии жесткого контакта конуса поршня с ответной поверхностью резцедержателей может привести к перегрузке одного из резцов. В этом случае возможно перемещение корпуса устройства в сторону поломанного резца с усложнением процесса резания;
- конструктивная схема с расположением трех резцедержателей в пазах корпуса по его периметру может быть применена в скважинах с достаточно большим внутренним диаметром отрезаемой трубы.
Известна конструкция внутренней труборезки-труболовки (см. а.с. №1427056, кл. МКИ E21B 29/00, опубл. БИ №36, 1988 г.), состоящая из корпуса с шарнирно закрепленными в нем резцами.
Для передачи крутящего момента на резцы в корпусе асимметрично размещен полый вал с радиальными отверстиями и кулачками привода плашек труболовки.
В нижней части размещен центратор в виде обоймы с шарами, выходящими через окно за пределы корпуса, с опорой на внешнюю коническую поверхность кольцевого поршня.
При прокачивании промывочной жидкости происходит раскрытие кулачков захвата трубы за счет перемещения поршня с полым валом. Элементы центратора - шары, перемещением поршня вниз относительно корпуса вводятся во взаимодействие со стенкой отрезаемой трубы с обеспечением центровки устройства.
Недостатками конструкции следует считать:
- отсутствует надежный механизм определения времени, затрачиваемого на ведение процесса отрезки, поскольку этот промежуток определяется предварительно, на основе стендовых испытаний;
- конструктивная сложность устройства из-за размещения трех резцов по периметру корпуса. Это ограничивает область применения устройства из-за достаточно больших диаметральных размеров.
Известна конструкция внутрискважинной труборез-труболовки (см. а.с. №1252475, Мкл. E21B 29/00, заявка №3.782.383/22-03, опубл. 23.08.86 г., бюл. №31), принятая авторами за прототип.
Устройство включает полый корпус с пазами, в которых размещены резцы, вал в осевом канале корпуса с возможностью его вращения, узел перемещения резцов в виде клина, установленного соосно с валом, с возможностью осевого перемещения. Узел захвата выполнен в виде выдвижных плашек с приводом их перемещения.
Клин выполнен в виде многогранной пирамиды. На одной из граней выполнен продольный паз с криволинейным участком в нижней части, а сам клин связан с валом резьбой.
Резцы шарнирно связаны с корпусом и установлены с возможность взаимодействия с ребрами клина. Узел перемещения резцов снабжен штифтом, один конец которого жестко связан с корпусом, а другой располагается в продольном пазу.
Работа устройства.
На бурильной колонне труб оно спускается в осевой канал насосно-компрессорных труб на необходимую глубину. При сообщении компоновке вращения поднимают давление внутри устройства, что приводит к выходу плашек труболовки и их взаимодействию с внутренней поверхностью трубы ниже предполагаемого места отреза.
Устройство за счет взаимодействия выдвижных плашек труболовки с внутренней поверхностью трубы обеспечивает удержание на месте труборезки в процессе отрезания трубы. Т.е. труболовка используется в качестве центратора.
После окончания процесса отрезки трубы сбрасывают давление в бурильной колонне труб с возвратом плашек в исходное положение.
Затем перемещают устройство выше с расположением труболовки над местом отрезания трубы.
Осуществляют повторную подачу под давлением рабочей жидкости внутрь бурильной колонны и осевой канал устройства с выводом плашек в радиальном направлении до контакта со стенкой отрезанного участка трубы. В таком положении осуществляют подъем отрезанного участка трубы на поверхность.
Тем не менее конструкция имеет ряд недостатков, а именно:
- сложность механизма передачи крутящего момента на резцы: кинематическую связь через резьбовое соединение вала с корпусом для вывода резцов в радиальном направлении сложно синхронизировать с величиной врезания резцов при каждом обороте;
- необходимость возврата плашек в исходное положение после сброса давления, чтобы обеспечить съем устройства с места установки для перехода на вышележащий участок отрезанной трубы, чтобы осуществить захват отрезанной трубы;
- при извлечении трубы осевая нагрузка воспринимается подшипниковым узлом, рассчитанным на определенную осевую нагрузку, которая может быть намного больше допустимой, что может привести к поломке устройства.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
- возможность центровки устройства относительно канала резания с обеспечением равномерного поджима резца к поверхности реза по периметру при его вращении;
- возможность передачи крутящего момента на резец через взаимодействие с корпусом труболовки;
- возможность захвата отрезанного участка трубы труболовкой после отрезки без перестановки компоновки на новый уровень;
- возможность контроля окончания процесса отрезки трубы по скачку давления на устье скважины;
- возможность извлечения отрезанного участка трубы из скважины сразу после окончания процесса отрезки;
- возможность отсоединения устройства от отрезанного участка трубы с подготовкой его к повторению процесса резания.
Технический результат достигается тем, что труборез-труболовка состоит из корпуса с продольным пазом, в котором размещен на пальце резец, армированный твердым сплавом, узел перемещения резца, установленного соосно корпусу труборезки, который снабжен плашками в окнах, с приводом перемещения в виде разжимного конуса; устройство привода выполнено в виде верхнего гидроцилиндра, связанного через соединительную муфту с корпусом труболовки; узел перемещения резца выполнен в виде нижнего гидроцилиндра, установленного между корпусом труболовки, связан верхним концом с полым штоком, снабженным кольцевым поршнем, образующими в верхнем гидроцилиндре полость, связанную перепускными отверстиями в муфте с внешней средой, и полость под кольцевым поршнем, связанную радиальным отверстием в теле полого штока с его осевым каналом. Кольцевая полость в корпусе труболовки над разжимным конусом, гидравлически связана циркуляционным отверстием с осевым каналом полого штока, которое перекрыто шторкой в исходном положении.
Нижний гидроцилиндр связан через муфту с корпусом труболовки и снабжен полым плунжером с силовым поршнем, установленными с образованием полости над силовым поршнем, гидравлически связанной отверстиями с внешней средой, полость под силовым поршнем связана радиальным отверстием в теле полого плунжера с его осевым каналом.
Полый плунжер образует подвижное соединение с разжимным конусом и снабжен наконечником на нижнем конце, выходящим в осевой канал корпуса труборезки, с входом в торцовый контакт с резцом, который опирается на подпружиненный толкатель, расположенный в расточке корпуса. На внешней стороне корпуса размещен подшипник с защитной гильзой, наружный диаметр которой принят больше наружного диаметра корпуса труборезки, причем полость в нижнем гидроцилиндре над силовым поршнем связана отверстием с внешней средой, полость под силовым поршнем связана радиальными отверстиями с осевым каналом полого плунжера.
Конусная насада в наконечнике установлена с возможностью перекрытия ее осевого канала телом резца в его крайнем нижнем положении.
Площадь сечения кольцевого поршня верхнего цилиндра принята равной площади сечения полого штока, а площадь сечения силового поршня принята меньшей площади поперечного сечения полого плунжера из условия преодоления усилия сжатой пружины толкателя и создания усилия на резце в процессе отрезки трубы.
Конструкция устройства для отрезания и удаления участка трубы из скважины поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 - конструкция устройства в разрезе, в транспортном положении;
- на фиг.2 - взаимное положение деталей устройства в положении ведения процесса отрезки трубы;
- на фиг.3 - взаимное положение деталей устройства при захвате отрезанного участка трубы и ее подъем из скважины.
Устройство состоит из верхнего гидроцилиндра 1, связанного через муфту 2 и переводник 3 с бурильной колонной труб.
Нижним концом верхний гидроцилиндр 1 через соединительную муфту 4 связан с корпусом 5 труболовки.
Сам корпус 5 труболовки через переходную муфту 6 связан с нижним гидроцилиндром 7, с которым соединяется корпус 27 труборезки. В осевом канале верхнего гидроцилиндра 1 установлен кольцевой поршень 8, связанный с полым штоком 9, верхний конец которого пропущен через гайку 10, установленную в переводнике 3. Кольцевая камера 11 в верхнем гидроцилиндре 1 над кольцевым поршнем 8 постоянно гидравлически связана перепускным отверстием 12 с внешней средой.
Кольцевая камера 13 под кольцевым поршнем 8 связана радиальным отверстием 14 в теле полого штока 9 с его осевым каналом 15. Нижний конец полого штока 9 пропущен через осевой канал соединительной муфты 4 с расположением в осевом канале корпуса 5 труболовки и соединяется с разжимным конусом 16. В теле корпуса 5 труболовки выполнен ряд окон 17, в которых размещаются плашки 18 с насечкой 19 на внешней стороне, охватывающие разжимной конус 16 с образованием кольцевой полости 20, имеющей возможность гидравлической связи через циркуляционное отверстие 21, с осевым каналом 15 полого штока 9.
В исходном положении циркуляционное отверстие 21 перекрыто герметично шторкой 22, которая связана с телом полого штока 9 срезным элементом (не показано). В полости нижнего гидроцилиндра 7 размещается силовой поршень 23 с полым плунжером 24, верхний конец которого пропущен через разделительную перегородку 25, с выходом в осевой канал 26 корпуса 5 труболовки и образованием подвижного соединения с разжимным конусом 16.
Нижний конец полого плунжера 24 проходит в осевой канал корпуса 27 труборезки с образованием с его телом подвижного герметичного соединения.
Полость 29 нижнего гидроцилиндра 7 над силовым поршнем 23 гидравлически связана отверстиями 28 с внешней средой. Полость 29 нижнего гидроцилиндра 7 под силовым поршнем 23 связана радиальными отверстиями 30 с осевым каналом 31 полого плунжера 24.
В корпусе 27 труборезки выполнен паз 32, в который введен резец 33, связанный через палец 34 с корпусом 27 труборезки.
На внешней стороне корпуса 27 труборезки установлен подшипник 35 с защитной гильзой 36, поджатой гайкой 37.
Осесимметрично в теле корпуса 27 труборезки выполнена расточка 38, в которой на пружине 39 установлен толкатель 40, снабженный фиксатором 41, верхний конец которого опирается на тело резца 33.
На нижнем конце полого плунжера 24 установлен наконечник 42, в осевом канале которого размещается коническая насадка 43, поджимаемая гайкой 44. Наконечник 42 опирается на резец 33 сверху.
Принято, что площадь кольцевого поршня 8 равна площади поперечного сечения полого штока 9.
Площадь силового поршня 23 принята меньшей, чем площадь поперечного сечения полого плунжера 24 на величину, чтобы получить достаточное осевое усиление на наконечнике 42 при восприятии избыточного давления сверху. Осевое усилие рассчитывается из условия поджима резца 33 к обрабатываемой поверхности и проведения процесса резки при обеспечении сжатия пружины 39. На фиг.3 показан шаровой клапан 45, устанавливаемый на посадочную фаску 46 на шторке 22.
Для обеспечения безопасного спуска устройства в скважину разжимной конус 16 связан с корпусом 5 труборезки срезным элементом (не обозначен).
Силовой поршень 23 с полым плунжером 24 связаны срезным элементом с корпусом 27 труборезки.
Резец 33 на стороне, обращенной к телу отрезаемой трубы, армирован таблетками 47 твердого сплава.
Устройство скважинная труборез-труболовка работает следующим образом.
Через переводник 3 устройство подсоединяется к нижнему концу бурильной колонны труб и спускается в скважину на заданную глубину. Осуществляют передачу крутящего момента на корпус 27 труборезки с последующей подачей с поверхности промывочной жидкости под расчетным давлением.
Под действием перепада давления, воспринимаемого избыточной площадью полого плунжера 24, который перемещается в осевом канале нижнего гидроцилиндра 7 с воздействием наконечника 42 на тело резца 33. Резец 33 проворачивается на пальце 34 и перемещается своим концом, армированным твердым сплавом 47, к телу отрезаемой трубы с воздействием на подпружиненный толкатель 40. Рабочая жидкость через коническую насадку 43 подается в полость скважины с обеспечением охлаждения резца 33 и транспортированием по межтрубному пространству стружки на поверхность.
При взаимодействии резца 33 с телом отрезаемой трубы происходит поджим защитной гильзы 36 трубы с противоположной стороны от точки контакта резца 33 с трубой.
При этом точка контакта защитной гильзы 36 с телом отрезаемой трубы в процессе вращения корпуса 27 с резцом 33 перемещается по периметру отрезаемой трубы с обеспечением центровки устройства внутри в процессе ее отрезки.
По мере перемещения (вращения) резца 33 на пальце 34 и вращения корпуса 27 происходит отрезание трубы.
При максимальном повороте резца 33 на пальце 34 происходит отрезание трубы, что приводит к перекрытию осевого канала конической насадки 43 и росту давления на устье скважины (см. фиг.2).
Не прекращая передачу крутящего момента на корпус 27 труборезки, прекращают подачу под давлением рабочей жидкости. Усилием сжатой пружины 39 толкатель 40 перемещается в расточке 38 вверх с воздействием на резец 33, который проворачивается на пальце 34 и возвращается в паз 32 корпуса 27 в исходное положение.
Для приведения в действие труболовки с поверхности в осевой канал 15 полого штока 9 подают шаровой клапан 45 с его посадкой на фаску 46 шторки 22. Осуществляют подачу под избыточным давлением рабочей жидкости с воздействием на площадь сечения шторки 22 с шаровым клапаном 45, что приводит к разрушению срезного элемента и перемещению их в осевом канале 15 полого штока 9 до упора (фиг.3).
Тем самым открывается циркуляционное отверстие 21 и рабочая жидкость подается в полость 20 корпуса 5 труболовки над телом разжимного конуса 16, который перемещается вниз с воздействием на тело плашек 18 и их выводом из окон 17 корпуса 5 в сторону стенки отрезанного участка трубы. Своими насечками 19 плашки 18 вводятся в жесткий контакт с участком трубы и перемещением вверх бурильной колонны труб участок трубы извлекается из скважины.
Отсоединяют устройство от отрезанного участка трубы на устье скважины. Проводят демонтаж устройства с приведением всех деталей в рабочее положение для повторного применения.