РАЗБУРИВАЕМЫЙ БАШМАК С СИЛОВЫМ ПРИВОДОМ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ НИЗА ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ
DRILLABLE SHOE WITH POWER DRIVE FOR CASING STRING BOTTOM EQUIPMENT

Предлагаемое изобретение относится к области буровой техники, а именно к оборудованию для низа обсадной колонны с целью защиты элементов, входящих в компоновку колонны, от повреждений при спуске, направления ее по стволу скважины с возможностью проработки участков сужений, уступов, изгибов, искривлений ствола, осыпей и обвалов стенок, и дальнейшего разбуривания породоразрушающим инструментом после цементирования.
Существует ряд патентных публикаций, в которых описан башмак с силовым приводом для оборудования низа обсадной колонны или хвостовика, содержащий силовую секцию, состоящую из статора и стального ротора (винтового забойного двигателя), гибкий или карданный вал, секцию шпиндельную, состоящую из корпуса, осевой и радиальных опор, и вала шпиндельной секции, соединенного с наконечником, приводимым во вращательное движение ротором, совершающим планетарное движение внутри статора. Башмак дополнительно снабжен клапаном сброса давления, размещенным в роторе. Клапан сброса давления содержит седло, золотник в виде шара или тарелки, и пружину, обеспечивающих открытие канала для перетока буровой жидкости при достижении перепада давления меньшего, чем давление срабатывание пакера или иного оборудования установленного на обсадной колонне на величину 30…80%. Тело наконечника, включая лопасти и промывочные отверстия, армированы износостойким покрытием, а в нижней части имеет полусферическую форму и выполнено из легкоразбуриваемого материала, например алюминия (RU 170532, МПК Е21/В 17/14, опубл. 27.04.2017; RU 170534, МПК Е21/В 17/14, опубл. 10.01.2017 и RU 170535, МПК Е21/В 17/14, опубл. 27.04.2017).
Вышеописанная конструкция имеет ряд недостатков.
Во-первых: авторы указывают, что башмак с силовым приводом можно разбурить после цементирования обычным долотом с алмазными поликристаллическими резцами (долото PDC) и продолжить дальнейшее строительство скважины. Но при этом отмечается, что легкоразбуриваемые материалы (например, алюминий) применяются только в нижней части тела наконечника, имеющего полусферическую форму. Нет точного описания материалов остальных деталей привода, и к тому же отмечается, что ротор выполнен из стали. Учитывая данный фактор, нельзя говорить о возможности разбуривания башмака PDC долотами, так как работа по металлу данными типами долот категорически противопоказана. В данном случае, необходимо применение специального разбуривающего инструмента, что зачастую проблематично и экономически невыгодно. Все это накладывает серьезные ограничения на область возможного применения предложенной конструкции.
Во-вторых: в описанном устройстве отсутствует функция автозаполнения внутренней полости колонны обсадных труб промывочной жидкостью при спуске, что создает дополнительные сложности в виде необходимости постоянного долива промывочной жидкости на устье скважины.
В-третьих: нет подробного описания процесса цементирования скважины после спуска башмака с силовым приводом с колонной обсадных труб. Если предположить, что процесс цементирования будет проходить через силовой привод или через клапан сброса давления, то, учитывая необходимый расход и реологию прокачиваемого цемента, пропускной способности данных узлов явно не хватит для проведения качественного цементирования скважины.
В-четвертых: после цементирования проводится операция разбуривания цементного моста вместе с башмаком с силовым приводом. В данном случае, отсутствие механизмов фиксации или противовращения внутренних узлов устройства создает серьезную проблему при разбуривании, так как внутренние детали будут вращаться вместе с разбуривающим инструментом (долотом) и препятствовать его углублению.
В-пятых: конструкция наконечника, включающая промывочные отверстия и лопасти, армированные износостойким покрытием, а в нижней части имеющим полусферическую форму, и выполненным из легкоразбуриваемого материала, несмотря на обтекаемую форму для прохождения препятствий в стволе скважины, имеет существенный недостаток. Нижняя (центральная) легкоразбуриваемая часть полусферической формы будет также препятствовать углублению разбуривающего инструмента, после прохождения им зоны армированных лопастей, вращаясь вместе с ним.
Данные недостатки частично учтены в устройстве, используемом при спуске компоновки обсадных труб в скважину, принятом за прототип. Устройство для использования при спуске компоновки обсадных труб в скважину, содержащее режущий инструмент; приводной блок, соединенный с режущим инструментом и предназначенный для вращения режущего инструмента, в котором приводной блок и режущий инструмент содержит, по меньшей мере, одну часть из хрупкого, разбуриваемого материала; в котором приводной блок полностью удаляют из скважины при бурении; и концевой соединитель, соединенный с приводным устройством и адаптированный для подключения к колонне обсадных труб. В некоторых исполнениях устройство может быть выполнено так, что приводной блок устроен таким образом, что цемент может прокачиваться без прохождения через приводной блок, например через байпас. Также вращающиеся части приводного блока могут включать себя функции для блокировки или иного сопротивления вращению при разбуривании. Приводной блок или части приводного блока могут быть приспособлены для блокировки, например, путем перенастройки приводного блока (US 7849927, МПК Е21В 29/00, опубл. 14.10.10 г).
К недостаткам данного устройства можно отнести следующее:
Во-первых: как и в устройстве - аналоге отсутствует возможность автозаполнения внутренней полости колонны обсадных труб промывочной жидкостью при спуске через устройство или какой-либо его узел.
Во-вторых: расположение механизма для цементирования скважины (байпаса) непосредственно в приводном блоке ведет к усложнению конструкции устройства и ее удорожанию.
В-третьих: расположение механизма блокировки при разбуривании непосредственно в приводном блоке имеет недостаток. При прохождении разбуривающего инструмента через приводной блок нижние части устройства остаются незаблокированными и будут вращаться вместе с разбуривающим инструментом, препятствуя его дальнейшему углублению.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности работы башмака с силовым приводом.
Указанная цель решается с помощью разбуриваемого башмака с силовым приводом для оборудования низа обсадной колонны, выполненного из легкоразбуриваемых материалов, оснащенного режущей структурой и механизмами для цементирования скважины и фиксации внутренних частей от проворота при разбуривании, отличающегося тем, что оснащен системой автозаполнения внутренней полости колонны обсадных труб промывочной жидкостью; режущая структура снабжена PDC резцами и шпинделем, профиль сердечника которого выполнен с внутренним конусом, повторяющим профиль PDC долот и по вылету не превышает высоту лопастей наконечника шпинделя, механизм для цементирования скважины расположен в верхней части устройства и содержит переводник с цементировочной разрывной диафрагмой, механизм фиксации внутренних частей от проворота расположен в нижней части устройства. Система автозаполнения внутренней полости колонны обсадных труб промывочной жидкостью содержит промывочные каналы, полости внутри карданного вала, полый ротор, клапан автозаполнения и радиальные каналы.
Конструкция предлагаемого устройства состоит из полого ротора 1, статора 2, верхней осевой опоры 3, нижней осевой опоры 4, гайки верхней опоры 5 с радиальными каналами 6, клапана автозаполнения, состоящего из поршня 7 с пружиной 8; переводника 9 с цементировочной разрывной диафрагмой 10, корпуса шпинделя 11, роликов 12, карданного вала 13, сердечника шпинделя 14 с промывочными каналами 15 и стопорных шлицев 16, стопорных винтов 17, шариковых замков 18 и наконечника шпинделя 19, установленного на срезных винтах 20 и армированного PDC резцами 21.
Все детали кроме корпуса статора 2, переводника 9, корпуса шпинделя 11, шариковых замков 18, наконечника шпинделя 19 и PDC резцов 21 выполняются из легкоразбуриваемых материалов. Благодаря этому данное устройство можно применять с любым типоразмером обсадных колонн и быстро разбуривать PDC долотами.
Благодаря наличию системы автозаполнения внутренней полости колонны обсадных труб промывочной жидкостью, состоящей из промывочных каналов 15, полостей внутри карданного вала 13, полого ротора 1 и клапана автозаполнения, состоящего из поршня 7 с пружиной 8, и радиальных каналов 6 на гайке верхней опоры 5, промывочная жидкость может свободно поступать во внутреннее пространство обсадной колонны. Этот фактор значительно упрощает процесс спуска оборудования в скважину.
Для качественного осуществления механизма цементирования скважины в верхней части разбуриваемого башмака с силовым приводом предусмотрен переводник 9 с цементировочной разрывной диафрагмой 10. Важным моментом является то, что на переводнике 9 можно выполнить присоединительную резьбу под любую обсадную колонну, а варьируя толщиной диафрагмы 10 можно подобрать необходимое давление разрыва при цементировании.
Механизм фиксации внутренних частей от проворота в процессе разбуривания осуществляют путем приложения разбуривающим инструментом осевой нагрузки, которая срезает винты 20 и выдвигает сердечник шпинделя 14 до того момента, пока стопорные шлицы 16 на сердечнике шпинделя 14 не войдут в зацепление со стопорными винтами 17, тем самым блокируя все вращающиеся детали.
Также наилучшему разбуриванию башмака с силовым приводом способствует профиль сердечника шпинделя 14 с внутренним конусом, повторяющим профиль PDC долот, который, к тому же, по вылету не превышает высоту лопастей наконечника шпинделя 19, армированного PDC резцами 21 (параметр Н≥0).
На фиг. 1 изображен общий вид разбуриваемого башмака с силовым приводом в продольном разрезе.
В принципе действия разбуриваемого башмака с силовым приводом можно выделить 3 режима работы: спуск и автозаполнение; включение силового привода и проработка ствола скважины; фиксация и цементирование.
Режим спуска и автозаполнения. В этом режиме промывочную жидкость не подают внутрь обсадной колонны. Осуществляют свободный спуск разбуриваемого башмака с силовым приводом вместе с колонной обсадных труб. Промывочная жидкость, находящаяся в скважине, проходит через промывочные каналы 15, внутренние полости карданного вала 13 и полого ротора 1 и доходит до клапана автозаполнения, состоящего из поршня 7 с пружиной 8. Поршень 7 под давлением промывочной жидкости перемещается, сжимая пружину 8 и открывая радиальные каналы 6. Промывочная жидкость, проходя через радиальные каналы 6, свободно поступает далее во внутреннюю полость обсадной колонны.
Режим включения силового привода и проработки ствола скважины. После начала подачи промывочной жидкости с устьевых насосов (на чертеже не указаны) во внутреннюю полость обсадной колонны поршень 7 герметично закрывает внутреннюю полость полого ротора 1. Промывочная жидкость поступает в рабочие камеры силового привода (на чертеже не указаны), образованные винтами полого ротора 1 и статора 2, тем самым, заставляя полый ротор 1 совершать планетарное движение. Планетарное движение полого ротора 1 преобразуется во вращательное движение сердечника шпинделя 14 вместе с наконечником шпинделя 19, армированным PDC резцами 21, через карданный вал 13 и ролики 12. Создающийся крутящий момент способствует проработке проблемных участков и шаблонировке ствола скважины в процессе спуска.
Режим фиксации и цементирования. После достижения требуемой глубины спуска обсадной колонны производят цементирование скважины. Цементным раствором заполняют внутренние полости устройства и давление внутри устройства и в обсадной колонне возрастает. После превышения расчетного давления происходит разрыв цементировочной диафрагмы 10 переводника 9. Цементный раствор поступает в заколонное пространство и происходит качественное цементирование скважины. Как отмечалось ранее, выполнение цементировочной диафрагмы 10 и переводника 9 в виде отдельного сменного узла значительно увеличивает вариативность технических характеристик устройства и расширяет сферу возможного применения.
После отверждения цементного камня все вращающиеся детали устройства блокируются. Дополнительная фиксация внутренних частей от проворота в процессе разбуривания обеспечивается путем приложения разбуривающим инструментом осевой нагрузки, которая срезает винты 20 и выдвигает сердечник шпинделя 14 до того момента пока стопорные шлицы 16 на сердечнике шпинделя 14 не войдут в зацепление со стопорными винтами 17. Такая фиксация блокирует все детали силового привода, не позволяя проворачиваться в процессе разбуривания даже при условии недостаточно качественного цементирования. При этом расположение стопорных шлицев 16 и стопорных винтов 17 в нижней части устройства значительно облегчает операцию разбуривания, так как в процессе продвижения долота к сердечнику шпинделя 14 все детали находятся в зацеплении и заблокированы. А применение в конструкции башмака с силовым приводом легкоразбуриваемых материалов позволяет проводить данную операцию PDC долотами.
Применение предлагаемого разбуриваемого башмака с силовым приводом значительно упрощает спуск обсадной колонны, повышает качество проводимых операций, сокращает время строительства скважины за счет возможности исключения дополнительной операции шаблонировки ствола скважины долотом. А широкая вариативность технических характеристик позволяет использовать устройство с любыми требуемыми типоразмерами обсадных колонн.