КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЫРЕЗАНИЯ "ОКНА" В ВЫСОКОПРОЧНОЙ ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ
SET OF EQUIPMENT FOR CUTTING THE "WINDOW" IN A HIGH STRENGTH CASING COLUMN

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин при реконструкции старых и строительстве новых многоствольных скважин (МСС) и предназначено для вырезания «окна» в обсадной колонне высокой прочности методом зарезки бокового ствола (ЗБС).
Известно устройство для забуривания боковых стволов из обсаженной скважины (патент RU2263196, МПК E21B7/08, опубл. 27.10.2005 г.), включающее отклоняющий клин с закрепляющим механизмом в виде гофрированной трубы, один конец которой заглушен, канал для подачи жидкости в полость гофрированной трубы, подвижное соединение между переводником и клином. Узел фиксации отклоняющего клина установлен в переводнике и выполнен в виде поршня со штоком и фиксирующим приспособлением, размещенными в гидроцилиндре. Полость гидроцилиндра сообщена с полостью гофрированной трубы. Верхняя часть штока установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина со стороны его направляющей плоскости. Канал для подачи жидкости выполнен в виде размещенного в отклоняющем клине гидропровода, связывающего полость бурильных труб и полость режущего инструмента (оконного и зарезного фрезера), прикрепленного к верхней части отклоняющего клина посредством срезного болта, с полостью гофрированной трубы.
Недостатком аналога является низкая эффективность работы фрезерующего инструмента (низкий коэффициент полезного действия - КПД) ввиду того, что значительная часть произведенной фрезерами работы, помимо фрезерования колонны, затрачивается также на фрезерование корпуса клина-отклонителя, что существенно снижает ресурс работы фрезеров, уменьшает толщину и форму клин-отклонителя, что негативно сказывается на проходимости КНБК (компоновка низа бурильной колонны) через «окно».
Известна система для вырезания «окна» в обсадной колонне (патент RU2278239, МПК E21B29/06, опубл. 20.06.2006 г.), которая включает клин-отклонитель с направляющей поверхностью, механический якорь, прикрепленный на нижнем конце клина-отклонителя, фрезерный инструмент, состоящий из оконного фрезера, закрепленного на верхнем конце клина-отклонителя с возможностью разъединения, и двух фрезеров-райберов, расположенных выше по стволу скважины относительно оконного фрезера. Оконный фрезер в верхней части имеет утолщение. Клин-отклонитель имеет уступ, выполненный с возможностью его взаимодействия с утолщением оконного фрезера в момент зарезания стенки обсадной колонны. Лопасти фрезера выполнены сменными, армированными твердым сплавом и/или режущими вставками. Фрезеры-райберы соединены между собой через гибкий патрубок посредством двухупорной замковой резьбы и имеют участки корпуса с уменьшенным диаметром. Диаметр фрезеров-райберов увеличивается на один типоразмер вверх от оконного фрезера.
Недостатком известной системы является сложность разъединения фрезерующего инструмента от клин-отклонителя перед началом фрезерования колонны, обусловленная наличием опорного уступа, мешающего перемещению корпуса фреза относительно клин-отклонителя и передаче вращающего момента от транспортной колонны вследствие заклинивания фрезера об уступ.
Известен комплект оборудования для вырезания "окна" в обсадной колонне (патент RU2441132, МПК E21B 29/06, 27.01.2012 г.), включающий клин-отклонитель с заякоривающим механизмом в виде профильной трубы с заглушенным нижним концом, гидропровод, связывающий полость бурильных труб с полостью профильной трубы, фрезерующий инструмент в верхней части клина-отклонителя. Оконный фрез инструмента содержит установленное на его корпусе опорное кольцо, представляющее собой подшипник скольжения с наружным диаметром, превышающим диаметр оконного фреза на величину зазора, предотвращающего касание твердосплавных элементов вооружения фрезеров направляющей поверхности клина-отклонителя. Форма лопастей зарезного фреза выполнена с выступом под прямым углом относительно корпуса фреза. Комплект содержит двухпозиционный промывочный узел, выполненный с возможностью перекрытия гидродинамического канала сообщения между внутритрубным и затрубным пространством посредством бросового шара. Принято за прототип.
Недостатком прототипа является недостаточный ресурс работы фрезеров, особенно при вырезке «окна» в обсадной колонне высокой прочности вследствие износа вооружения фрезеров, что приводит к необходимости проведения дополнительного рейса для повторной проработки и расширения «окна». Также в устройстве не предусмотрен механизм разрушения опорного кольца после выполнения им своих функций, что приводит к снижению скорости фрезерования и заклинкам бурильного инструмента. Недостатком также является то, что форма и длина вырезанного «окна» не обеспечивают беспрепятственное прохождение КНБК через «окно» вследствие недостаточной его длины, обусловленной применением двух фрезеров.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение эффективности работы комплекта оборудования для вырезания «окна» в высокопрочной обсадной колонне и расширение его функциональных возможностей путем устранения вышеуказанных недостатков аналогов.
Техническим результатом является вырезание «окна» в обсадной колонне высокой прочности за один рейс спуска-подъема инструмента в скважину с обеспечением беспрепятственного прохождения КНБК через вырезанное «окно».
В отличие от прототипа
Проблема решается, а технический результат достигается комплектом оборудования для вырезания "окна" в обсадной колонне, включающим клин-отклонитель с заякоривающим механизмом, фрезерующий инструмент, закрепленный в верхней части клин-отклонителя, включающий стартовыйфрезер с опорным кольцом в виде подшипника скольжения.  опорное кольцо стартового фрезера имеет наружную выступающую часть диаметром большим, чем наружный диаметр торцевого наконечника указанного фрезера, кроме того, на рабочей поверхности клин-отклонителя нанесен абразивный слой из твердосплавной крошки, при этом место нанесения абразивного слоя определяется расчетным путем из условия достижения касания опорным кольцом внутренней стенки обсадной колонны при его перемещении по наклонной поверхности клин-отклонителя в процессе фрезерования, причем фрезерующий инструмент дополнительно содержит опорный фрезер-райбер, задняя часть которого выполнена гладкой, без армирования лопастей фрезера твердосплавной дробленой крошкой, и промежуточный фрезер-райбер, при этом форма и геометрические параметры элементов оборудования, таких как клин-отклонитель, фрезеры, соединительные переводники, и места их расположения в компоновке подобраны таким образом, чтобы начальные точки касания стартового, промежуточного и опорного фрезеров с обсадной колонной находились в трех равноудаленных точках.
Согласно изобретению:
- геометрические параметры элементов оборудования включают длину, диаметр, угол наклона рабочих поверхностей;
- опорное кольцо стартового фрезера выполнено из легкосплавного материала, например, дюрали или бронзы.
Технический результат достигается представленной совокупностью признаков за счет следующего.
Опорное кольцо стартового (в прототипе «оконного») фрезера имеет выступающую наружную часть диаметром большим, чем наружный диаметр наконечника стартового фрезера, которая в определенный момент, при касании опорным кольцом внутренней поверхности обсадной колонны, удаляется путем истирания об абразивный слой твердосплавной крошки, наплавленной на рабочей поверхности клин-отклонителя, что предотвращает его заклинивание между внутренней стенкой обсадной колонны и поверхностью клин-отклонителя и позволяет продолжить процесс фрезерования. На начальном этапе фрезерования наличие опорного кольца обеспечивает предотвращение касания и фрезерования рабочей поверхности клин-отклонителя вооружением фрезеров. Это позволяет повысить ресурс работы фрезеров вследствие недопущения износа вооружения фрезеров, так как опорное кольцо не дает касаться вооруженным зубьям стартового фрезера рабочей поверхности клин-отклонителя и истираться, соответственно, увеличивается ресурс работы всего комплекта оборудования, в результате чего нет необходимости проведения дополнительного рейса для повторной проработки и расширения «окна».
Применение опорного кольца уменьшает силы трения-сопротивления, динамические нагрузки, крутящий момент при фрезеровании обсадной колонны за счет исключения касания зубьями стартового фрезера рабочей поверхности клин-отклонителя, при этом необходимый крутящий момент существенно снижается за счет снижения величины сил трения-сопротивления (подшипник скольжения). Динамические нагрузки, приходящиеся на клин-отклонитель, также значительно снизятся из-за снижения ударных осевых нагрузок и крутящего момента, образующихся в процессе фрезерования.
Форма, геометрические параметры элементов оборудования подобраны из условия их касания с обсадной колонной в трех равноудаленных точках, что обеспечивает формирование нового бокового ствола с постоянной кривизной и проходимость КНБК через «окно», равномерную динамическую нагрузку на фрезерующий инструмент, увеличение ресурса работы.
Путем подбора оптимальных геометрических параметров элементов оборудования, таких как угол наклона калибрующей поверхности стартового фрезера и его соответствие углу наклона начальной поверхности клин-отклонителя, длины и диаметров соединительных переводников между фрезерами, которые не касаются внутренней стенки обсадной колонны в процессе фрезерования в интервалах, т.н. «перемычек» обсадной колонны, равноудаленное друг от друга расположение фрезеров в компоновке достигается улучшение формы и увеличение длины вырезанного «окна», что также обеспечивает беспрепятственное прохождение КНБК через «окно». Кроме того, для увеличения длины вырезки «окна» и сохранения целостности внутренней поверхности обсадной колонны фрезерующий инструмент содержит промежуточный и опорный фрезер-райбер, задняя часть которого выполнена «гладкой», без вооружения (без армирования лопастей фрезера твердосплавной дробленной крошкой), с сохранением наружного диаметра. Установка третьего опорного фрезера позволяет уменьшить угол наклона оси компоновки относительно оси скважины, и «прижать» промежуточной фрезер к верхней стенке обсадной колонны, что позволяет более раннее фрезерование последним обсадной колонны, и соответственно увеличение длины «окна».
Сущность изобретения поясняется рисунками, где показан заявляемый комплект оборудования для вырезания «окна» в высокопрочной обсадной колонне:
на фиг.1 а, б) - общий вид комплекта в скважине,
а) исходное положение; б) продолжение фиг. 1а);
на фиг.2 а), б) - компоновка для вырезания «окна» в процессе фрезерования колонны,
а) положение компоновки в процессе фрезерования колонны;
б) показано истирание опорного кольца об абразивный слой (вид А) спереди;
на фиг.3 а), б) - компоновка в конце фрезерования колонны,
а) положение компоновки в конце фрезерования колонны;
б) общий вид скважины после окончания работ.
На фигурах обозначены следующие элементы:
1. бурильная труба;
2. фрезер-райбер опорный;
3. переводник соединительный верхний;
4. фрезер-райбер промежуточный;
5. переводник соединительный нижний;
6. фрезер стартовый (или «оконный»);
7. опорное кольцо стартового фрезера;
8. наконечник фрезера стартового;
9. абразивный слой;
10. клин-отклонитель;
11. обсадная колонна;
12. шарнирный узел;
13. заякоривающий механизм (якорь);
14. плашки якоря;
15. лопасти стартового фрезера;
16. промывочные отверстия стартового фрезера.
Оборудование работает следующим образом.
Собирают компоновку с якорем 13, клин-отклонителем 10, внутреннюю полость якоря заполняют технической водой и опускают ниже ствола ротора буровой.
Клин-отклонитель 10 (фиг.1) предназначен для отклонения компоновки от основного ствола скважины и формирования второго (бокового) ствола. Представляет собой цельнокорпусной элемент с продольным наклоном рабочей поверхности в пределах 1,5…3°, с внутренней цилиндрической проточкой по всей длине, выполненной в виде «желоба» для обеспечения устойчивого направления фрезерующего инструмента в процессе фрезерования. В нижней части клин-отклонителя 10 установлен шарнирный узел 12 для соединения с якорем 13.
Якорь механического действия 13 предназначен для фиксации и закрепления клин-отклонителя 10 в обсадной колонне 11 от возможных перемещений вследствие воздействия динамических нагрузок и крутящего момента в процессе фрезерования обсадной колонны. Якорь активируется с упором на забой (цементный мост) путем создания осевой нагрузки весом бурильной колонны (примерно 10т), при которой выдвигаются плашки 14 и фиксируют якорь 13 совместно с клин-отклонителем 10 в обсадной колонне.
К верхней части клин-отклонителя 10 посредством транспортного винта (на фиг. не показано) крепят фрезерующий инструмент, состоящий из фрезера стартового 6, фрезера-райбера 4 (промежуточного), опорного фрезера-райбера 2 и соединительных переводников 3 и 5.
Фрезер-райбер 4 предназначен для фрезерования обсадных колонн и калибрования стенок ствола скважины при вырезании «окна» и представляет собой цельнокорпусной элемент, выполненный со спиральными лопастями, армированными металлокерамическим сплавом, и имеющий центральный промывочный канал.
Фрезер-райбер опорный 2 служит в качестве третьей опорной точки компоновки, причем с целью недопущения повреждения обсадной колонны в процессе фрезерования задняя часть выполнена гладкой, без вооружения.
Стартовый фрезер 6 конусообразный со спиральными лопастями 15 (фиг. 2) предназначен для начального формирования щели в обсадной колонне и имеет в передней части торцевой наконечник 8 с вооружением и промывочными отверстиями для промывки и выноса металлической стружки и шлама. Для увеличения ресурса работы в передней части стартового фрезера 6 установлено опорное кольцо 7 (может быть выполнено из легкосплавного материала - дюраль, бронза) в виде подшипника скольжения с наружным выступом, предотвращающим касание вооруженной части фрезера рабочей поверхности клин-отклонителя 10.
На верхний фрезер-райбер опорный 2 наворачивают бурильную трубу 1 и спускают в скважину до плановой глубины вырезания «окна» с постоянным доливом скважины и промежуточными промывками. Здесь с помощью якоря 13 производится фиксация (якорение) клин-отклонителя 10 в обсадной колонне 11 путем разгрузки части веса транспортной колонны бурильных труб (около 10т) на якорь 13, опертый на искусственный забой (цементный мост). При этом происходит выдвижение плашек 14 якоря в радиальном направлении, внедрение их зубьев в тело обсадной колонны 11 и фиксация якоря 13 совместно с клин-отклонителем 10.
Отсоединение клин-отклонителя 10 от фрезерующего инструмента производится путем натяжения колонны бурильных труб 1 и среза транспортного винта от растягивающей нагрузки (около 9т). Далее производят промывку и создают вращение ротором буровой, которое через колонну бурильных труб передается фрезерующему инструменту, и путем медленной подачи вниз и вращения бурового инструмента начинают фрезеровать колонну - вырезать «окно» в обсадной колонне.
Стартовый фрезер 6, как крайний нижний элемент компоновки, первым касается опорным кольцом 7 направляющей поверхности клин-отклонителя 10, и, совершая вращательно-поступательное движение (как и весь бурильный инструмент), скользит по ней. При этом передняя часть корпуса стартового фрезера 6 с торцевым наконечником 8 не касается поверхности клин-отклонителя 10, но задняя часть, имеющая спиральные лопасти с вооружением, начинает фрезеровать внутреннюю поверхность обсадной колонны 11, опираясь на опорное кольцо 7. Расчетная нагрузка, приходящаяся на опорное кольцо, может достигать 5т при величине осевой нагрузки – 500 кг (фиг. 2).
При достижении определенной точки фрезерования (примерно, в 30см от начала фрезерования) опорное кольцо 7 упирается наружной выступающей частью во внутреннюю стенку обсадной колонны 11 и начинает разрушаться, истираясь об абразивный слой твердосплавной крошки абразивного слоя 9, наплавленной на рабочей поверхности клин-отклонителя 10, не препятствуя наконечнику 8 стартового фрезера коснуться верхней стенки обсадной колонны и начать ее фрезеровать, при этом точка касания переместится с опорного кольца 7 на корпус стартового фрезера 6 (фиг. 2). Поскольку к этому моменту лопасти 15 стартового фрезера уже отфрезеровали верхнюю стенку обсадной колонны и вышли за ее внешнюю сторону, удельная нагрузка (контактное давление) на рабочую поверхность клин-отклонителя значительно снизится, и повреждение последней от динамического воздействия стартового фрезера будет минимальным (фиг. 2).
Процесс фрезерования продолжается до полного выхода фрезеров за пределы обсадной колонны в открытую часть бокового ствола, где производится бурение «кармана» в горной породе (длиной 6…8 метров), после чего производится промывка и извлечение фрезерующего инструмента из скважины (фиг. 3).
Общий вид скважины по окончании работ представлен на фиг. 3 б), где показан след от фрезерования обсадной колонны и калибрования (расширения) открытого ствола и длина (высота) вырезанного «окна».
Локальный изгиб ствола, образованный вследствие установки клин-отклонителя, является основной причиной непроходимости КНБК через «окно», поэтому форма и длина «окна» имеют исключительное значение. Для оценки возможности прохождения КНБК в «окне» с учетом локального изгиба предлагается применение известного правила «трех точек», по которым можно определить диаметр окружности или радиус искривления ствола (фиг. 3, б), которые должны соответствовать допустимым значениям радиуса окружности, обеспечивающим проходимость КНБК. Справочные данные по допустимым радиусам искривления ствола (или интенсивности искривления) общеизвестны из отраслевой методической литературы.
Изобретение обеспечивает условие касания фрезерующих элементов с поверхностью обсадной колонной в трех равноудаленных точках путем подбора (проектирования) формы, геометрии и месторасположения элементов оборудования в компоновке и формирования нового ствола с постоянной кривизной по известным методикам (например, «Руководство по бурению горизонтальных скважин на месторождениях ОАО АНК «Башнефть». - Уфа: изд-во Башнефть-Геопроект, 2009г., CТО 00135645-255-2009 г.) с применением чертежной программы, например, «Компас».
Форма и геометрические параметры элементов оборудования (клин-отклонителя, фрезеров, соединительных переводников) и места их расположения в компоновке подобраны таким образом, чтобы начальные точки касания стартового фрезера, второго (промежуточного) фрезера, и третьего, опорного фрезера находились в трех равноудаленных точках.
Пример расчета и проектирования компоновки для вырезки «окна» в колонне 178 мм толщиной стенки 10 мм.
Фрезерующий инструмент: ФО-150, ФР-154, ФРО-154 (где: ФО- фрезер оконный; ФР - фрезер-райбер, ФРО - фрезер-райбер опорный). Клин-отклонитель: КО -135 с углом перекоса 2 град.
Расчет производился с применением чертежной программы «Компас» согласно методическому руководству по бурению горизонтальных скважин на месторождениях ОАО АНК «Башнефть». - Уфа: изд-во Башнефть-Геопроект, 2009 г. (CТО 00135645-255-2009).
Итоги расчетов.
Наименование параметра
формула
значение
Радиус искривления ствола в «окне»
Определяется по «трем точкам»
R=163м
Интенсивность искривления ствола
I=573/R
I=3,5 град/10м
Длина открытой части «окна» от головы клин-отклонителя (КО)
Lo
Lо = +690мм
Длина от начала фрезерования «окна» до головы КО
Lнф
Lнф=1437 мм
Общая длина «окна» (от начала до конца фрезерования ОК)
L
L=5650 мм
Где I- интенсивность искривления ствола, L- общая длина вырезанного «окна», Lo- длина открытой части «окна» от головы клин-отклонителя, Lнф- длина «окна» от начала фрезерования обсадной колонны до головы клин-отклонителя.
Из примера следует, что значения радиуса искривления ствола (R=163м) или (I=3,5 град/10м), что, согласно методике, обеспечивает проходимость КНБК для бурения.
Таким образом, применение изобретения позволяет вырезать «окно» в обсадной колонне высокой прочности за один рейс с обеспечением беспрепятственного прохождения КНБК через вырезанное «окно».