Устройство для ориентации направления зарезки боковых стволов из горизонтальной части необсаженной скважины
DEVICE FOR ORIENTATION OF DIRECTION OF OFFSHOOTS SIDETRACKING FROM HORIZONTAL PART OF UNCASED WELL

Изобретение относится к промысловой геофизике, а именно к средствам передачи сигналов измерения из скважины на дневную поверхность с целью ориентации направления зарезки боковых стволов из горизонтальной части необсаженной скважины.
Известно устройство для ориентации направления зарезки боковых стволов из горизонтальной части необсаженной скважины, включающее забойную телеметрическую систему (ЗТС), спущенную в скважину на колонне труб и содержащую соединенные между собой модуль электрогенератора-пульсатора, модуль инклинометра, модуль гамма-каротажа, включающие телеметрические блоки, при этом забойная телеметрическая система дополнительно содержит блок анализа и управления коммутатором и коммутатор, соединенные с указанными модулями, при этом вход блока анализа и управления коммутатором соединен с выходом блока управления пульсациями модуля гамма-каротажа, установленным в модуле гамма-каротажа, и первым входом коммутатора, а выход блока анализа и управления коммутатором соединен с входом управления коммутатора, второй вход коммутатора соединен с выходом блока управления пульсациями модуля инклинометра, установленным в модуле инклинометра, а выход коммутатора соединен с входом пульсатора, установленным в модуле электрогенератора-пульсатора (патент RU № 2509210, МПК Е21В 47/12, опубл. 10.03.2014 в бюл. № 7).
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, сложность конструкции, связанная с тем, что устройство дополнительно содержит блок анализа и управления коммутатором и коммутатор, соединенные с указанными модулями, при этом вход блока анализа и управления коммутатором соединен с выходом блока управления пульсациями модуля гамма-каротажа, установленным в модуле гамма-каротажа;
- во-вторых, низкая точность ориентации направления зарезки рабочей поверхности клина-отклонителя относительно азимута горизонтальной части необсаженной скважины ввиду низкой жёсткости конструкции и отсутствия центрирования ЗТС относительно оси горизонтальной скважины, т.е. горизонтальная ось ЗТС смещена вниз относительно горизонтальной оси скважины. В результате сигнал, передаваемый с датчиков забойной телеметрической системы на приемное устройство (по электромагнитному каналу связи), расположенное на устье скважины, искажается;
- в-третьих, высокая вероятность прихвата ЗТС в горизонтальной части необсаженной скважины при бурении бокового ствола. Это обусловлено тем, что в процессе бурения бокового ствола шлам, образующийся вследствие разбуривания породы, выносится из бокового ствола в горизонтальную часть необсаженной скважины, при этом в результате поглощения промывочной жидкости в процессе бурения бокового ствола отсутствует циркуляция жидкости на устье скважины, и весь шлам оседает в горизонтальной части необсаженной скважины в интервале размещения компоновки;
- в-четвёртых, невозможность извлечения колонны труб из горизонтальной части необсаженной скважины при прихвате ЗТС;
- в-пятых, высокая металлоёмкость и вес конструкции ЗТС, что связано с большим количеством модулей в составе устройства.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для ориентации направления зарезки боковых стволов из горизонтальной части необсаженной скважины,
включающее забойную телеметрическую систему – ЗТС − с беспроводным электромагнитным каналом связи, спущенную в скважину на колонне труб и содержащую модуль управления в виде датчиков, передающий модуль, а также приёмное устройство и персональный компьютер, расположенные на устье скважины. Устройство также содержит электрический разделитель, измерительные модули и турбогенератор, включающий гидротурбину и электрический генератор, а также узел бесконтактной передачи вращения от вала гидротурбины к валу электрического генератора, выполненный в виде магнитной муфты, при этом передающий модуль включает инвертор в виде мостовой схемы с ключами, причём плечи мостовой схемы инвертора соединены с сигнальной обмоткой электрического генератора через выпрямитель тока, а диагональ моста − с электродами электрического разделителя, выход персонального компьютера подключен к ключам инвертора, а вход − к сигнальной обмотке электрического генератора через схему определения переходов синусоидального напряжения на сигнальной обмотке через «нуль», ключи инвертора включены в мостовой схеме с возможностью образования с сигнальной обмоткой генератора короткозамкнутой электрической цепи по команде персонального компьютера, установленного на устье скважины (патент RU № 2383730, МПК Е21В 47/12, опубл. 10.03.2010 в бюл. № 7).
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, низкая точность ориентации направления зарезки рабочей поверхности клина-отклонителя относительно азимута горизонтальной части необсаженной скважины ввиду низкой жёсткости конструкции ЗТС. В результате сигнал, передаваемый с датчиков забойной телеметрической системы на приемное устройство (по электромагнитному каналу связи), расположенное на устье скважины, искажается. Кроме того, в случае забуривания бокового ствола из горизонтальной части необсаженной скважины из-за отсутствия центрирования ЗТС относительно горизонтальной оси повышается риск повреждения самой ЗТС вследствие того, что в процессе бурения боковой ствол пересекает горизонтальную часть необсаженной скважины в интервале нахождения ЗТС;
- во-вторых, высокая вероятность прихвата ЗТС в горизонтальной части необсаженной скважины при бурении бокового ствола. Это обусловлено тем, что в процессе бурения бокового ствола шлам, образующийся вследствие разбуривания породы, выносится из бокового ствола в горизонтальную часть необсаженной скважины, при этом в результате поглощения промывочной жидкости в процессе бурения бокового ствола отсутствует циркуляция жидкости на устье скважины, и весь шлам оседает в горизонтальной части необсаженной скважины в интервале размещения компоновки.
- в-третьих, невозможность извлечения колонны труб из горизонтальной части необсаженной скважины при прихвате ЗТС;
- в-четвёртых, высокая металлоёмкость и вес конструкции ЗТС. Это связано с тем, что для питания ЗТС используется электрический генератор в виде магнитной муфты.
Техническими задачами изобретения являются повышение точности ориентации направления зарезки рабочей поверхности клина-отклонителя относительно азимута горизонтальной части необсаженной скважины, снижение вероятности прихвата компоновки в горизонтальной части скважины при бурении бокового ствола с возможностью извлечения колонны труб отворотом в случае прихвата ЗТС, а также снижение металлоёмкости и веса конструкции ЗТС.
Поставленные технические задачи решаются устройством для ориентации направления зарезки боковых стволов из горизонтальной части необсаженной скважины, содержащим, забойную телеметрическую систему − ЗТС с беспроводным электромагнитным каналом связи, спущенную в скважину на колонне труб, включающую в себя модуль управления в виде датчиков, передающий модуль, а также приёмное устройство и персональный компьютер, расположенные на устье скважины.
Новым является то, что устройство в направлении от ЗТС к колонне труб последовательно оснащено спиральной утяжелённой бурильной трубой – УБТ, клином-отклонителем с наклонной рабочей поверхностью с углом 4–6° по отношению к оси горизонтальной части необсаженной скважины, безопасным переводником, при этом в интервале наибольшего набора кривизны устройство размещено не более 6° на 10 м, причём соотношение наружного диаметра спиральной УБТ к диаметру горизонтального ствола скважины составляет 0,9 : 1, а наружные диаметры клина-отклонителя и спиральной УБТ равны между собой.
На фиг. 1 и 2 схематично и последовательно изображено предлагаемое устройство в процессе работы.
На фиг. 3 схематично в разрезе А-А изображено предлагаемое устройство, сориентированное по азимуту.
Устройство для ориентации направления зарезки боковых стволов из горизонтальной    части    необсаженной    скважины    содержит спущенную в скважину 1
(фиг. 1) на колонне труб 2 забойную телеметрическую систему 3, например, марки ЗТС-54 с беспроводным электромагнитным каналом связи, включающим в себя модуль управления 4 в виде датчиков (на фиг. 1–3 показаны условно) и передающий модуль 5 (фиг. 1), а также приёмное устройство 6 и персональный компьютер 7. Приёмное устройство 6 и персональный компьютер 7 расположены на устье скважины 1.
Устройство в направлении от ЗТС 3 к колонне труб 2 последовательно оснащено    спиральной   УБТ 8, клином-отклонителем 9 с наклонной рабочей поверхностью 10 и безопасным переводником 11. Опытным путем установлено, что угол наклона рабочей поверхности 10 клина-отклонителя 9   к оси горизонтальной части необсаженной скважи-
ны 1 составляет 4–6° в зависимости от типоразмера колонны труб 2 и наружного диаметра клина отклонителя 9. УБТ 8 соединяется с помощью резьбового соединения.
c
у
c
у
к
у
с
у
к
Для точного центрирования устройства при зарезке бокового ствола из горизонтальной части необсаженной скважины диаметром D (фиг. 2) наружный диаметр D спиральной УБТ составляет 0,9 диаметра горизонтального ствола скважины D, а наружные диаметры D спиральной трубы УБТ и клина-отклонителя D равны между собой. т.е.: D= 0,9⋅D; D = D. Длина УБТ должна обеспечить центрирование устройства в горизонтальной скважине.   С целью более интенсивного удаления забоя создаваемого бокового канала от горизонтальной части необсаженной скважины устройство необходимо размещать в интервале наибольшего набора кривизны, но не более 6° на 10 м.
с
у
с
Таким образом, если D = 142 мм, то диаметр D= 0,9⋅D= 0,9⋅142 мм = 127 мм;
у
к
D= D= 127 мм.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
На устье скважины 1 на конце колонны труб 2 (фиг. 1) снизу-вверх последовательно монтируют ЗТС 3, спиральную УБТ 8, клин-отклонитель 9 с наклонной рабочей поверхностью 10, безопасный переводник 11. В целях более интенсивного удаления   создаваемого   бокового   канала от горизонтальной части необсаженной скважины 1 предлагаемое устройство необходимо размещать в интервале наибольшего набора кривизны, но не более 6° на 10 м. Поэтому с учетом вышеизложенного обеспечивается спуск предлагаемого устройства в интервал зарезки бокового ствола с наибольшим набором кривизны горизонтальной части необсаженной скважины 1, например, 5° на 10 м.
Затем приступают к ориентированию наклонной рабочей поверхностью 10 клина-отклонителя 9 по азимуту (апсидальной плоскости) (фиг. 2 и 3). Например, наклонная рабочая поверхность 10 клина-отклонителя 9 (фиг. 1) по оси к горизонтальной части наклонной скважины 1 имеет угол α = 4 °.
Ориентирование рабочей поверхности 10 клина-отклонителя 9 в апсидальной плоскости по ЗТС производят с участием геофизической партии.
С устья скважины 1 при помощи трубных ключей ступенчато проворачивают колонну труб 2 и, соответственно, всю компоновку, находящуюся на конце колонны труб 2, вправо с расхаживанием и выдержкой до достижения запланированного угла поворота, например на 130° (фиг. 3), что определяют по дохождению сигнала на устье скважины 1.
Например, на устье скважины 1 и верхней трубе колонны труб 2 выполняют мелом метки через каждые 10°. Затем каждый раз поворачивают колонну труб 2 на 10°, производят расхаживание колонны труб 2: вверх на 5 м, вниз на 10 м и вновь вверх на 5 м, после чего осуществляют выдержку в течение 5 мин. При отсутствии дохождения сигнала на устье скважины 1 вышеописанные операции повторяют ступенчато необходимое количество раз до дохождения сигнала на устье скважины, т.е. до достижения запланированного угла поворота 130°.
При этом каждый раз информация от датчиков модуля управления 4 (фиг. 2), установленных в корпусе ЗТС 3, через передающий модуль 5 преобразуется в кодовую последовательность в зависимости от измерения угловых параметров, которые изменяются при повороте колонны труб 2 вправо с устья скважины 1.
По окончании работ по направлению ориентации производят зарезку бокового ствола через клин-отклонитель 9 с применением гибкой трубы, винтового забойного двигателя и долота, при этом предлагаемое устройство продолжает находиться в скважине до окончания работ по бурению бокового ствола. По окончании выполнения бокового ствола предлагаемое устройство перемещают в другой интервал зарезки бокового ствола в горизонтальной части необсаженной скважины 1 или извлекают на устье скважины 1.
Передающий модуль 5 направляет сигнал по электромагнитному каналу связи на приемное устройство 6, расположенное на устье скважины. В приемном устройстве 6 принятый сигнал декодируется и вводится в персональный компьютер 7 для обработки. Программа обрабатывает всю информацию, полученную с датчиков модуля управления 4 при повороте колонны труб 2 на устье скважины, для представления первоначально в цифровом виде, а затем для визуализации в форме таблиц, графиков и диаграмм на экран монитора персонального компьютера 7 и дохождения сигнала с датчиков модуля управления 4 через передающий модуль 5 на приёмное устройство 6, расположенное на устье скважины 1 и, соответственно, достижения запланированного угла поворота, например на 130° (фиг. 3), т.е. направления рабочей поверхности 10 клина-отклонителя 9 из горизонтальной части необсаженной скважины 1 для зарезки бокового ствола (на фиг. 1–3 не показан).
Ориентирование клина-отклонителя 9 необходимо производить таким образом, чтобы создаваемый канал в процессе бурения не пересёк горизонтальную часть необсаженной скважины 1, т.е. при уменьшении азимута (от 0° до 180°) открытого ствола забуривание канала необходимо планировать вправо и клин-отклонитель 9 должен быть ориентирован вправо, при увеличении азимута (от 180° до 360°) забуривание канала необходимо планировать влево и клин-отклонитель 9 должен быть ориентирован влево.
УБТ 8 применяют в составе устройства с целью повышения жёсткости конструкции устройства, а также в качестве центратора, что в целом обеспечивает повышение точности угла наклона при ориентировании рабочей поверхности  клина-отклонителя 8 по азимуту относительно горизонтальной части необсаженной скважины 1. Также исключаются  повреждения самой ЗТС благодаря качественному центрированию предлагаемого устройства в горизонтальной части необсаженной скважины, поэтому в процессе бурения боковой ствол не пересекает горизонтальную часть необсаженной скважины в интервале нахождения ЗТС.
Применение УБТ 8 в виде спирали снижает вероятность прихвата компоновки в горизонтальной части необсаженной скважины при забуривании бокового ствола, так как наличие спиральных канавок уменьшает площадь контакта стенки скважины и трубы, тем самым снижается возможность прихвата труб, благодаря чему в 2–3 раза снижается вероятность прихвата ЗТС в сравнении с прототипом.
В случае прихвата устройства в скважине 1 приводят в действие безопасный переводник 11. Например, для этого вращают колонну труб 2 с устья скважины 1. В результате колонна труб 2 отворачивается от клина-отклонителя 9. Колонну труб 2 извлекают из скважины 1. Затем в скважину 1 спускают на колонне труб любой известный ловильный инструмент с внутренним захватом, например, внутреннюю труболовку (на фиг. 1–3 не показана). Производят захват внутренней труболовки за внутреннюю поверхность клина-отклонителя 9 (фиг. 3) и извлекают на устье скважины оставшуюся часть (ЗТС 3, спиральную УБТ 8, клин-отклонитель 5) предлагаемого устройства.
В предложенном устройстве для электронных компонентов ЗТС (модуля управления 4 и передающего модуля 5) используют батарейное питание 12 (аккумуляторы), которое позволяет производить измерение угловых параметров (0°–360°), т.е. направление рабочей поверхности клина-отклонителя по азимуту относительно горизонтальной части необсаженной скважины).
В предложенной конструкции устройства роль электрического генератора выполняет батарейное питание 12, поэтому отсутствие в составе ЗТС 3 электрического генератора в виде магнитной муфты позволяет снизить металлоёмкость и вес конструкции.
Предлагаемое устройство для ориентации направления зарезки боковых стволов из горизонтальной части необсаженной скважины позволяет:
- повысить точность ориентации направления зарезки рабочей поверхности клина-отклонителя относительно азимутагоризонтальной части необсаженной скважины;
- снизить вероятность прихвата компоновки в горизонтальной части скважины при бурении бокового ствола;
- извлечь колонну труб отворотом при прихвате ЗТС;
- снизить металлоёмкость и вес конструкции ЗТС.