УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАБУРИВАНИЯ БОКОВОГО СТВОЛА СКВАЖИНЫ

Полезная модель относится к области бурения скважин, а именно к вырезанию стенки обсадной колонны и забуриванию боковых стволов из ранее пробуренных и обсаженных скважин.
Из литературных источников известно, что при вырезании «окна» в стенке обсадной колонны при помощи клиньев с ровной отклоняющей поверхностью в процессе прохождения фрезой оконной средней части желоба клина скорость фрезерования стенки обсадной колонны снижается до нуля (Самигуллин В.Х., Гилязов P.M. Результаты эксплуатации комплекса инструмента «КГБ» для забуривания боковых стволов за один рейс // Нефтяное хозяйство. - 2007. - №4 - С.25-27.). Протяженность этой зоны составляет от 200 до 650 мм и зависит от угла клина и толщины стенки обсадной колонны. Время, затрачиваемое на прохождение этой зоны, находится в пределах от 2 до 4 час, и в некоторых случаях равно времени, затрачиваемому на вырезание всего «окна».
Известен клиновой отклонитель для вырезания части обсадной колонны разбуривания нового ствола из скважины (а.с. SU №1470925, Е21В 7/08, опубл. Бюл. №13 от 07.04.1989 г.), включающий корпус с направляющей поверхностью, состоящей из двух наклонных поверхностей и расположенного между ними вертикального участка, и двух накладок, каждая из которых расположена на направляющей поверхности в нижней части каждого из наклонных участков и сопряжена с последними.
Его недостатками являются сложность конструкции из-за наличия в нем дополнительных накладок, расположенных в нижней части наклонных участков и сопряженных с последними, т.к. необходимо создать их надежное крепление на корпусе клина и предотвратить их разрушение и отрыв под действием осевых и тангенциальных нагрузок при работе зарезного инструмента и осевых ударных нагрузок при спуско-подъемных операциях бурильного инструмента и хвостовика при креплении бокового ствола. Другим недостатком этого клинового отклонителя является ухудшение условий работы зарезного инструмента (компоновки райберов или фрез). В тот момент, когда инструмент находится напротив вертикального участка клина, сила реакции стенки обсадной колонны отклоняет инструмент в сторону клина, т.к. уравновешивающая сила плоскости клина отсутствует, а бурильные трубы, находящиеся выше и опирающиеся на верхнюю наклонную поверхность, испытывают сложную деформацию под действием изгибающего и крутящего моментов, что может послужить причиной их поломки. При этом происходит изменение конфигурации «окна», вместо плавно увеличивающейся овальной формы «окно» получается переменного сечения и меньшей длины, что затрудняет прохождение бурильного инструмента через него в процессе бурения бокового ствола. Так же за счет уменьшения толщины тела клина в зоне вертикального участка может произойти загиб его головной части к центру скважины и перекрытие ее проходного сечения под действием ударных нагрузок бурильного инструмента о верхнюю наклонную поверхность клина в процессе спуско-подъемных операций.
Известна система для вырезания «окна» в обсадной колонне, предназначенная для бурения дополнительных стволов из эксплуатационных колонн бездействующих или малодебитных скважин (патент RU №2278239, С1, МПК Е21В 29/06, опубл. бюл. №17 от 20.06.2006 г.), в котором описан клин-отклонитель с механическим якорем, прикрепленным на нижнем конце клина и фрезерным инструментом, закрепленным на верхнем конце, при этом оконный фрезер в верхней части имеет утолщение, а клин - уступ, которые взаимодействуют в момент зарезания «окна» в стенке обсадной колонны. Недостатками данного клина-отклонителя являются: - уступ, выполненный в верхней части клина, имеет те же недостатки, что и верхняя наклонная плоскость клина, описанного выше;
- нижний фрезер, имея увеличенный на один типоразмер по сравнению с оконным фрезером рабочий диаметр и не имея зарезных кромок, достигая уступа в верхней части клина, встречает необработанную стенку обсадной колонны. Необходимость фрезерования двойного объема металла (уступа и стенки колонны) резко уменьшает скорость фрезерования «окна» и происходит зависание фрезерного инструмента. Оконный фрезер, имея зарезные кромки и вращаясь на одном месте, под действием отклоняющей силы реакции стенки обсадной колонны на фрезер будет вырезать ступеньки в теле клина, которые будут препятствовать прохождению бурового инструмента в боковой ствол и могут привести к поломке самого клина. Все это увеличит время вырезания «окна» и аварийность проведения работ как при фрезеровании стенки обсадной колонны, так и при спуско-подъемных операциях в процессе бурения бокового ствола.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является устройство для забуривания боковых стволов из обсаженной скважины под названием «Ускоряющий скос отклонителя» (патент US №5816324, А, МПК Е21В 7/08, от 06.10.1998 г.), включающее отклоняющий клин с якорем, спускаемые на колонне труб, канал, сообщающий колонну бурильных труб через тело клина с якорем для фиксации его в обсадной колонне скважины нагнетанием жидкости, при этом желоб клина выполнен в виде верхнего скоса для присоединения режущего инструмента и трех поверхностей, сопрягаемых друг с другом, причем верхняя и нижняя поверхности желоба выполнены с равным углом наклона относительно оси устройства, а средняя - с большим, равным 10-45° для ускорения прохождения серединой режущего инструмента стенки обсадной колонны скважины.
Оно обладает следующими недостатками:
- клин жестко соединен с якорем, поэтому голова отклоняющего клина не прижимается к стенке скважины. При неправильном ориентировании и установке в наклонно направленных и, особенно в горизонтальных скважинах или в зоне перфорации, возникает угроза заваливания клина к оси скважины и перекрытия ее проходного сечения, что может привести к аварии в работе и ограничивает область его применения;
- отклоняющие поверхности желоба клина не сопряжены между собой и, особенно при больших углах этих поверхностей (20-45°), в компоновке фрез и бурильных трубах в процессе работы на этих переходных участках будут возникать участки концентрации напряжений, в которых скачкообразное возрастание изгибающих и крутящих моментов может привести к их излому и аварии. Кроме того, резкие переходы между отклоняющими поверхностями приводят к ударным нагрузкам инструмента о поверхности с большими углами при переходе его с поверхности с меньшими углами на поверхности с большими углами относительно оси устройства, вследствие чего может происходить его заклинивание между клином и стенкой обсадной колонны, и в этих местах в теле клина могут образовываться уступы, препятствующие прохождению бурового инструмента через «окно» при спуско-подъемных операциях и ослабляющие его осевую устойчивость;
- большая величина смещения отклоняющих поверхностей с равными углами относительно оси устройства друг от друга увеличивает вероятность аварийных ситуации с буровым инструментом вследствие возрастания и концентрации в его теле изгибающих и крутящих моментов, возникающих при прохождении инструментом переходных участков между этими поверхностями, и уменьшает длину «окна», что приведет к заклиниванию бурового инструмента в нем.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является улучшение процесса прорезания «окна» в стенке обсадной колонны за один рейс инструмента за счет уменьшения концентрации изгибающих и крутящих моментов в компоновке фрез и бурильных трубах на участках сопряжения отклоняющих поверхностей желоба клина, снижения износа вооружения фрез, предотвращения вырезания ступенек в желобе клина, повышения механической скорости фрезерования «окна» и надежности работы отклонителя за счет фиксированного прижатия головы клина к стенке обсадной колонны, а также исключения заклинивания бурового инструмента в «окне» за счет ограничения величины смещения отклоняющих поверхностей на желобе клина с равными углами относительно оси устройства друг от друга.
Поставленная техническая задача решается устройством для забуривания бокового ствола скважины, включающим отклоняющий клин с якорем, спускаемые на колонне труб, канал, сообщающий колонну бурильных труб через тело клина с якорем для фиксации его в обсадной колонне скважины нагнетанием жидкости, при этом желоб клина выполнен в виде верхнего скоса для присоединения режущего инструмента и трех поверхностей, сопрягаемых друг с другом, причем верхняя и нижняя поверхности желоба выполнены с равным углом наклона относительно оси устройства, а средняя - с большим, равным 10-45° для ускорения прохождения серединой режущего инструмента стенки обсадной колонны скважины.
Новым является то, что поверхности желоба между собой сопряжены закругленными поверхностями, при этом средняя поверхность выполнена с возможностью смещения верхней и нижней поверхностей относительно друг друга на расстояние, равное толщине стенки обсадной колонны, а клин соединен с якорем через переводник с возможностью поворота относительно поперечной оси, причем переводник оснащен узлом отклонения и фиксации клина, который установлен в переводнике и выполнен в виде фиксирующего приспособления и поршня со штоком, размещенного в гидроцилиндре, полость которого сообщена с якорем, при этом верхняя часть штока установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина, выполненного в виде клинового выступа со скошенной плоскостью, обращенной противоположно поверхности желоба клина.
На фиг.1 показан общий вид устройства с разрезами;
на фиг.2 изображен вид А фиг.1;
на фиг.3 показан вид Б фиг.1;
на фиг.4 - вид В фиг.1 (в разрезе);
на фиг.5 изображен вид Г фиг.4.
1
Устройство состоит из отклоняющего клина 1 (фиг.1) с направляющим желобом 2, связанного через переводник 3, который оснащен узлом отклонения и фиксации клина с якорем 4, выполненным например, в виде гофрированной трубы, канала в виде гидропровода 5, предназначенного для подачи жидкости из полости бурильных труб (не показаны) через режущий инструмент 6 в полость якоря 4, подвижное соединение между переводником 3 и клином 1 в виде шарнира с осью 7. Направляющий желоб 2 имеет дополнительную отклоняющую поверхность 8 (фиг.1 и 3). Отклоняющие поверхности желоба 2 (фиг.1) клина 1 сопряжены между собой закругленными поверхностями с радиусами R (фиг.2), R2 и R3 (фиг.3). В нижней части клина 1 (фиг.4) выполнен клиновой выступ 9 со скошенной плоскостью 10 (фиг.5), взаимодействующей с верхней частью штока 11 поршня 12 (фиг.4) и выполненной в виде бокового среза 13 (фиг.5). На скошенной плоскости 10 клинового выступа 9 и боковом срезе 13 штока 11 размещено фиксирующее приспособление 14, например, в виде насечек. Поршень 12 (фиг.4) со штоком 11 размещены в гидроцилиндре 15, который расположен в переводнике 3 и сообщен с якорем 4 (фиг.1), например, с полостью профильных труб.
Устройство работает следующим образом.
Собранное на мостках буровой предлагаемое устройство на колонне бурильных труб, соединенных через перепускной клапан (на фиг.1 не показаны) с режущим инструментом 6 (фиг.1), спускают в расчетный интервал основного ствола скважины (на фиг.1 не показана), откуда необходимо произвести забуривание бокового ствола и ориентируют его, например, с помощью инклинометра или гироскопа (на фиг.1 не показаны) в нужном направлении. При этом жидкость, находящаяся в скважине, через перепускной клапан заполняет полость бурильных труб и якоря 4, предотвращая большие перепады давлений снаружи и внутри труб и якоря. Затем, создавая избыточное давление в полости колонны бурильных труб, фиксируют якорь 4 и устройство в заданном интервале. Одновременно давление рабочей жидкости перемещает поршень 12 (фиг.4) со штоком 11, который, воздействуя боковым срезом 13 (фиг.5) на скошенную плоскость 10 клинового выступа 9, поворачивает клин 1 (фиг.1) вокруг оси 7 и прижимает его «голову» (верхнюю часть клина 1) к стенке скважины. Выполнение клинового выступа 9 (фиг.4), направленного вниз со скошенной плоскостью 10 (фиг.5), обращенной противоположно поверхности желоба клина и взаимодействующей с верхней частью штока 11 (фиг.4) поршня 12, обеспечивает прижатие верхней части клина 1 (фиг.1) к стенке скважины с большим усилием и надежной его фиксации в таком положении в течение всего времени зарезки, бурения и крепления бокового ствола, что позволяет производить зарезку и бурение бокового ствола в любом направлении по азимуту от основного ствола скважины. В самом верхнем положении поршень 12 (фиг.4) со штоком 11 заклиниваются между стенкой гидроцилиндра 15 и нижним клиновым выступом 9 клина 1 (фиг.1). Выполнение штока 11 (фиг.4) с поршнем 12, как один сплошной цилиндр, совмещенный с фиксирующим приспособлением 14 (фиг.5), позволяет упростить конструкцию узла опоры, увеличить его прочность, надежность и уменьшить габаритные размеры. В случаях использования устройства в скважинах большого диаметра, например в кондукторах, возможно выполнение сборной конструкции штока 11 (фиг.4) с поршнем 12 для упрощения технологии и уменьшения стоимости изготовления устройства. Большие диаметральные и длиновые размеры поршня 12 позволяют ему устойчиво работать, оставляя штоку И отклоняюще-расклиниваюшую функцию. Придание штоку 11 формы клина повышает усилие отклонения и прижатия «головы» клина к стенке скважины и позволяет надежно фиксировать клин в таком положении, так как расклинивающее усилие штока 11 во много раз больше осевого усилия, создаваемого жидкостью на поршень 12. При этом отклоняющие усилия, возникающие в клине 1 (фиг.1) в процессе работы и стремящиеся повернуть его вокруг оси 7 и перекрыть проходное сечение скважины, воздействуют на поршень 12 (фиг.4) не по его оси, а перпендикулярно плоскости бокового среза 13 (фиг.5) штока 11, не сдвигая поршень 12 (фиг.4) в исходное положение, увеличивая усилие их фиксации, а фиксирующие приспособление 14 (фиг.5) не испытывает ни изгибающих, ни растягивающих, ни крутящих усилий, а только сжимающие, что позволяет изготавливать его менее металлоемким, более технологичным, не снижая его надежности.
1
2
3
После установки и фиксации клина 1 (фиг.1) натяжением колонны бурильных труб срезается полый срезной болт 16, отсоединяя режущий инструмент 6 от клина 1. Далее скважину промывают, режущему инструменту 6 придают вращение и выполняют фрезерование «окна» и зарезку бокового ствола. Отклоняющая поверхность 17 (фиг.2) желоба 2 ускоряет врезание режущего инструмента 6 (фиг.1)в стенку обсадной колонны. При подходе центра режущего инструмента 6 к стенке обсадной колонны (фиг.3), где начинают работать его центральные резцы, а их угловые скорости вращения равны нулю, механическая скорость фрезерования стенки обсадной колонны резко снижается. Дополнительная отклоняющая поверхность 8 (фиг.3) за счет большего угла сокращает протяженность зоны резкого снижения скорости фрезерования стенки обсадной колонны с 200-650 мм до 20-30 мм и ускоряет прохождение режущим инструментом 6 этого участка. Режущий инструмент 6, выйдя за пределы стенки обсадной колонны, начинает фрезеровать стенку обсадной колонны резцами, удаленными от его центра, и скорость фрезерования увеличивается. При этом сопряжение отклоняющей поверхности 8 (фиг.1 и 3) с отклоняющими поверхностями 18 и 19 (фиг.1 и 3) желоба 2 (фиг.1) клина 1 между собой закругленными поверхностями радиусами R2 и R3 (фиг.3) позволяют уменьшить ударные нагрузки инструмента о поверхность 8 (фиг.1 и 3) с более большим углом при переходе его с поверхности 18 (фиг.1 и 3) на поверхность 19 с меньшими углами относительно оси устройства и значительно уменьшить концентрации изгибающих и крутящих моментов, возникающих в режущем инструменте 6 (фиг.1) и колонне бурильных труб при прохождении ими переходных участков R (фиг.2) и R, R (фиг.3) между этими поверхностями. Смещение верхней 18 (фиг.1 и 3) и нижней 19 (фиг.1 и 3) отклоняющих поверхностей относительно друг друга на расстояние Н (фиг.3), равное толщине стенки обсадной колонны, также позволяет уменьшить концентрации изгибающих и крутящих моментов, возникающих в режущем инструменте 6 (фиг.1) и колонне бурильных труб при прохождении ими дополнительной отклоняющей поверхности 8 (фиг.1 и 3) и незначительно уменьшить длину «окна» относительно наиболее близкого аналога. Диаметральные и длинновые размеры «окна» имеют большое значение, т.к. буровые компоновки, используемые при бурении бокового ствола и обсадная колонна, спускаемая для его крепления, имеют больший диаметр, а значит, и большую жесткость по сравнению с бурильными трубами, используемыми при вырезании «окна». При значительном уменьшении длины «окна» это оборудование будет заклинивать в нем в трех точках: стенке бокового ствола, внизу «окна» и вверху «окна», где верхняя часть «окна» имеет заостренную форму и будет впиваться в тело бурильного инструмента или в муфту обсадной колонны при попытках освободить его натяжением колонны бурильных труб, что может привести к тяжелой аварии и даже к ликвидации скважины, поэтому расстояние Н (фиг.3) должно быть не более толщины стенки обсадной колонны, что позволяет спускать через «окно» в боковой ствол любые компоновки оборудования, проходящие через основной ствол скважины.
Предлагаемое устройство позволяет сократить время работ, повышает качество зарезки и бурения боковых стволов, снижает аварийность и материальные затраты при забуривании боковых стволов из существующих скважин.