КЛИН-ОТКЛОНИТЕЛЬ ДЛЯ ЗАБУРИВАНИЯ БОКОВЫХ СТВОЛОВ ИЗ СКВАЖИНЫ
DEFLECTING WEDGE FOR PREDRILLING BRANCH HOLES

Изобретение относится к области бурения газонефтяных скважин, в частности к устройствам для бурения боковых стволов из скважины.
Известен отклонитель клиновой заливаемый, предназначенный для использования при бурении скважин с разбуриванием нового ствола (пат. RU 2119573, МПК 7 E21B 7/08, оп. 27.09.98 г. Бюл. №27), состоящий из спускного клина, соединенного срезными болтами с направляющим клином, опоры для закрепления отклонителя цементным раствором в колонне и канала для подачи цементного раствора.
Недостатками данного отклонителя являются:
- вероятность аварийных ситуаций при его спуске и установке в открытом стволе скважины из-за большой длины и жесткости отклонителя, что может привести к посадкам устройства на неровностях и в местах искривлений ствола скважины, тем более, что нижний конец имеет заостренные зубцы, при этом произойдет преждевременный срез крепежных болтов и потеря отклонителя;
- большие материальные и временные затраты для его установки в скважине, связанные с необходимостью создания упорного цементного моста, ожидания его отверждения, производством фрезеровки верхней части моста до определенной глубины; спуском отклонителя в скважину, созданием дополнительного цементного моста для закрепления отклонителя и ожидания его отверждения, и только после этого возможно производить зарезку и бурение бокового ствола;
- низкая функциональность, связанная с тем, что в открытых стволах, имеющих зоны поглощения или водопроявления, очень часто цементные мосты не устанавливаются или не набирают нужной прочности и установить отклонитель в таких скважинах невозможно.
Известен стационарный отклонитель, предназначенный для зарезки нового ствола скважины при ликвидации аварий с бурильной колонной
(а.с. СССР №1435743, МПК 7 E21B 7/08, оп. 07.11.88 г. Бюл. №41), содержащий корпус с промывочными отверстиями, жестко связанный с ним в верхней части направляющий клин, расположенный в нижней части корпуса узел закрепления клина, связанный срезными элементами с направляющим клином транспортировочный патрубок и трубчатый кожух.
Недостатками данного отклонителя являются:
- низкая функциональность, связанная с необходимостью наличия аварийного инструмента в скважине, для закрепления отклонителя и невозможностью его ориентирования, а также со сложностью попадания метчиком в аварийный инструмент;
- затраты времени и материалов, связанные с необходимостью фрезерования и обуривания верхнего конца аварийного инструмента, и цементирования основания клина;
- вероятность аварийных ситуаций при его установке и освобождении транспортировочного патрубка, связанная с невозможностью надежного закрепления отклонителя в «голове» аварийного инструмента, так как для завинчивания метчика в трубу необходимы большие крутящие моменты, а срезные элементы, крепящие транспортировочный патрубок к направляющему клину, не могут их выдержать. Увеличение прочности срезных элементов приведет к невозможности отсоединения транспортировочного патрубка от направляющего клина после установки отклонителя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является клин-отклонитель (уипсток) для забуривания нового бокового ствола из необсаженной скважины (пат. US 5113938, МПК 7 E21B 7/08, от 19.05.1992 г.), включающий отклоняющий клин с продольным каналом, шарнирно соединенный снизу с переводником, который снизу оснащен расширяющимся пакером-якорем, посадочный инструмент в виде полого патрубка с верхней муфтой для соединения с бурильной колонной и левой резьбой снизу для соединения после установки в продольном канале клина с переводником.
Недостатками данного клина-отклонителя являются большая вероятность аварийных ситуаций при его спуске и установке в открытом стволе скважины, связанных с:
- невозможностью отвинчивания полого патрубка по левой резьбе после установки клина-отклонителя, так как в шарнирном механизме установлены достаточно прочные пружины, которые перегибают и заклинивают полый патрубок в резьбе. Известно, что идеально вертикальных скважин не бывает, все скважины имеют большие или меньшие отклонения от вертикальной оси и различные неровности по длине ствола, тем более скважины, осложненные геологическими условиями, в них могут быть сужения, размывы, каверны, ступеньки, образовавшиеся от работы аварийного инструмента. Клин-отклонитель располагается в них под различными углами, а бурильная колонна из-за своей прочности не может повторять все изгибы скважины, что еще больше перегибает и заклинивает полый патрубок, препятствуя его отвинчиванию;
- тем, что «голова» клина ничем не защищена и при спускоподъемных операциях в открытом стволе, в особенности в искривленных участках, и будет впиваться, и скоблить стенку скважины, обломки породы будут набиваться и трамбоваться в зазоре между полым патрубком и желобом клина, заклинивая тем самым полый патрубок. Все это приведет к невозможности отвинчивания полого патрубка из переводника после установки клина-отклонителя и аварийной ситуации в скважине;
- тем, что при попадании клина-отклонителя в искривленный или кавернозный участок скважины он может принять такое положение, когда незащищенная «голова» будет впиваться в одну стенку, а башмак пакера попадет на выступ противоположной стенки скважины и его освобождение натяжением или разгрузкой бурильной колонны будет только еще больше заклинивать клин-отклонитель поперек ствола скважины, создавая угрозу оставления его в скважине, а промывка скважины не будет способствовать его освобождению, что приведет к аварии и потере пробуренной части скважины.
Технической задачей настоящего изобретения является:
- создание клина-отклонителя, позволяющего в безаварийном режиме доставить его в расчетный интервал скважины, с возможностью расхаживания и вращения при прохождении осложненных участков скважины, и гарантированного освобождения посадочного инструмента с бурильной колонной после ориентирования по азимуту и установки клина-отклонителя в расчетном интервале;
- создание клина-отклонителя, снижающего аварийность и стоимость строительства скважин, осложненных геологическими условиями, за счет устройства, надежно защищающего его от загрязнения горной породой в процессе спускоподъемных операций, предотвращающего заклинивание клина-отклонителя в скважине и способствующего более легкому и свободному отвинчиванию полого патрубка после надежной фиксации клина-отклонителя в расчетном интервале.
Техническая задача решается клином-отклонителем для забуривания боковых стволов из скважины, включающим отклоняющий клин с продольным каналом, шарнирно соединенный снизу и подпружиненный наружу с переводником, который снизу оснащен расширяющимся пакером-якорем, посадочный инструмент в виде полого патрубка с верхней муфтой для соединения с бурильной колонной и левой резьбой снизу для соединения после установки в продольном канале клина с переводником.
Новым является то, что полый патрубок снизу оснащен стопором, а переводник - открытым снизу цилиндром с поршнем с выборкой вверху под стопор, причем поршень зафиксирован разрушаемыми элементами в верхней части цилиндра и выполнен с возможностью только продольного перемещения относительно него, при этом полый патрубок выше продольного канала клина оснащен верхним и нижним упорами, между которыми размещено скользящее кольцо, оснащенное кожухом, выполненным в виде сектора полого стакана с днищем наверху, и взаимодействующим внутренней поверхностью без возможности проворота с наружной поверхностью сверху прижатого внутрь клина, причем нижний упор полого патрубка при отсоединении патрубка от переводника и перемещении вверх относительно клина выполнен с возможностью взаимодействия со скользящим кольцом.
На фиг.1 показан общий вид устройства с разрезами; на фиг.2 увеличенно показан вид А, с поворотом на 90° вокруг оси; на фиг.3 - увеличенно разрез Б-Б, см. фиг.2; на фиг.4 увеличенно показан разрез Г-Г, см. фиг.1; на фиг.5 - увеличенно разрез В-В, см. фиг.2.
Клин-отклонитель состоит из отклоняющего клина 1 (фиг.1) с продольным каналом 2, шарнирно соединенного с переводником 3, осью 4 (фиг.2), между ними установлен упругий элемент 5 (фиг.1), отжимающий клин 1 наружу. В качестве упругого элемента могут применяться винтовые или тарельчатые пружины, резиновые вставки и т.п. В приведенном варианте исполнения применены винтовые цилиндрические пружины. Переводник 3 снизу соединен с пакером-якорем 6. Пакер может быть любого типа, но желательно расширяющей конструкции, поскольку такие пакеры лучше закрепляются на неровностях открытого ствола скважины. В приведенной конструкции пакер-якорь 6 выполнен в виде продольно гофрированной профильной трубы, нижний конец которой заглушен, например, направляющим башмаком. В продольном канале 2 клина 1 размещен полый патрубок 7 с муфтой 8 в верхней части для соединения с бурильной колонной и перепускным клапаном (на фиг.1 не показаны), левой резьбой 9 (фиг.2) и стопором 10 снизу для соединения после установки в продольном канале 2 клина 1 с переводником 3. Переводник 3 оснащен открытым снизу цилиндром 11 с поршнем 12 с выборкой 13 вверху под стопор 10. Формы стопора 10 и выборки 13 в верхней части поршня 12 под стопор 10 могут быть самыми различными, например пластина и продольный паз в приведенной конструкции, трехгранник и трехгранный паз или любые другие многогранники (на фиг.2 не показаны), исключающие несанкционированный проворот, с выполненными каналами для прохода рабочей жидкости, а также выступы различной формы, выполненные на нижнем конце полого патрубка 7, и ответные выборки 13 в верхней части поршня 12. Причем поршень 12 зафиксирован разрушаемыми элементами 14 в верхней части цилиндра 11 и выполнен с возможностью только продольного перемещения относительно него. Для предотвращения возможности проворота поршня 12 (фиг.5) относительно цилиндра 11 они в нижней части выполнены в виде различных многогранников, исключающих несанкционированный проворот, или имеют любое другое соединение, например шлицевое или шпоночное. Полый патрубок 7 (фиг.1) выше продольного канала 2 оснащен верхним 15 и нижним 16 упорами, между которыми размещено скользящее кольцо 17, оснащенное кожухом 18, выполненным в виде сектора полого стакана с днищем 19 наверху, и взаимодействующим внутренней поверхностью 20 (фиг.4) без возможности проворота с наружной поверхностью 21 сверху прижатого внутрь клина 1, причем нижний упор 16 (фиг.1) при отсоединении полого патрубка 7 от переводника 3 оснащенного цилиндром 11 (фиг.2), и перемещении его вверх относительно клина 1 (фиг.1) выполнен с возможностью взаимодействия со скользящим кольцом 17. Кожух 18 может быть различных размеров и формы, в зависимости от прочности пород, которыми сложен разрез скважины. Он должен легко скользить по стенке скважины не разрушая ее, надежно защищать клин 1 с полым патрубком 7 от загрязнения обломками породы и легко сниматься с клина 1 при извлечении полого патрубка 7 из скважины. Кожух 18 может быть различных размеров и формы, в зависимости от прочности пород, которыми сложен разрез скважины. В приведенном варианте исполнения кожух 18 для уменьшения диаметральных размеров клина-отклонителя размещен в проточке 22 (фиг.4), выполненной в верхней части клина 1 (фиг.1) с обратной стороны от желоба, и снабжен упорами 23 (фиг.4), препятствующими возможности его проворота вокруг оси устройства в процессе спуска клина-отклонителя в скважину и его ориентирования, но с возможностью перемещения по оси устройства вверх при извлечении полого патрубка 7 (фиг.1) из скважины. Фиксация кожуха 18 и клина 1 от проворота относительно друг друга может осуществляться также с помощью других различных устройств, например штифт, закрепленный на наружной поверхности 21 (фиг.4) сверху клина 1 и паза в стенке кожуха 18, или шпонки, закрепленной на внутренней поверхности 20 кожуха 18 и паза на наружной поверхности 21 сверху клина 1, или любые другие позволяющие достигать подобного результата. В приведенной конструкции упоры 23 (фиг.4) выполнены по бокам в виде загибов самого кожуха 18.
Устройство работает следующим образом.
Поднимают с мостков и устанавливают на столе ротора пакер-якорь 6 (фиг.1). Заливают его рабочей жидкостью. Затем поднимают отклоняющий клин 1 и соединяют его через переводник 3 с пакер-якорем 6 любым известным способом, например сварным швом или стопорными штифтами и уплотнительными элементами. В предлагаемом варианте использовано резьбовое уплотняемое соединение, зафиксированное прихваточным сварным швом. С помощью муфты 8 полого патрубка 7, размещенного в продольном канале 2 клина 1, собранный клин-отклонитель соединяют с перепускным клапаном и бурильной колонной (на фиг.1 не показаны) и спускают на заданную глубину. При спуске через перепускной клапан происходит заполнение полости бурильной колонны рабочей жидкостью, находящейся в скважине, предотвращая ее смятие под действием давления столба жидкости. Верхний упор 15 полого патрубка 7 в это время удерживает кожух 18 от снятия его под действием реакции стенок скважины с клина 1, который он поджимает внутрь. Для уменьшения сил трения кожух 18 может быть размещен в проточке 22 (фиг.4), выполненной в верхней части клина 1 (фиг.1) с обратной стороны от желоба. В случае посадки клина-отклонителя на неровностях ствола скважины, с целью доведения его до расчетной глубины, к нему можно прикладывать осевые и крутящие усилия, как и бурильной колонне, на которой происходит спуск и установка клина-отклонителя. Геофизическими методами (например, магнитными или гироскопическими инклинометрами и т.п.) ориентируют клин 1 по проектному азимуту и насосом с поверхности земли создают давление рабочей жидкости в полости бурильной колонны. Под действием давления рабочей жидкости поршень 12 (фиг.2) с выборкой 13 в верхней части срезает разрушаемые элементы 14, сдвигается вниз и открывает канал для прохода рабочей жидкости и выправления профильной трубы пакера-якоря 6 (фиг.1). Одновременно происходит освобождение стопора 10 (фиг.2), полого патрубка 7 и его левой резьбы 9 от фиксации в цилиндре 11, которым оснащен переводник 3. Разгрузкой веса бурильной колонны или ее натяжением проверяют надежность закрепления клина-отклонителя в скважине. Затем производят отвинчивание полого патрубка 7 из левой резьбы 9 цилиндра 11. В процессе спуска клина-отклонителя в скважину, его ориентирования, установки и отвинчивания полого патрубка 7 (фиг.1) скользящее кольцо 17, оснащенное кожухом 18, который своей внутренней поверхностью 20 (фиг.4), совместно с полым патрубком 7 (фиг.1) удерживают отклоняющий клин 1 за его наружную поверхность сверху 21 (фиг.4) в прямолинейном положении, препятствуя его отклонению под действием упругого элемента 5 (фиг.1) к стенке скважины и заклиниванию полого патрубка 7 (фиг.2) в левой резьбе 9 цилиндра 11. При этом упоры 23 (фиг.4) удерживают кожух 18 от проворота относительно клина 1. Кожух 18 (фиг.1) своим днищем 19 защищает «голову» клина 1 от взаимодействия со стенкой скважины и загрязнения клина 1 обломками горной породы, которые, утрамбовываясь между желобом клина 1 и полым патрубком 7, заклинивают полый патрубок 7 в продольном канале 2 отклоняющего клина 1, препятствуя его отвинчиванию. При извлечении бурильной колонны и полого патрубка 7 из скважины нижний упор 16 взаимодействует со скользящим кольцом 17 и снимает кожух 18 с «головы» клина 1. После извлечения полого патрубка 7 из продольного канала 2 клин 1, поворачиваясь на поперечной оси 4 (фиг.3), отклоняется и прижимается к стенке скважины под действием упругого элемента 5 (фиг.1) и удерживается им в таком положении в течение всего цикла бурения и крепления бокового ствола. В скважину на бурильной колонне спускают долото, которое, двигаясь по желобу клина 1 (фиг.1), забуривает боковой ствол в заданном направлении.
Таким образом, оснащение полого патрубка 7 стопором 8 и его жесткая фиксация в переводнике 3 при помощи цилиндра 11 и поршня 12 позволяют гарантированно спустить клин-отклонитель до заданного интервала с возможностью, при необходимости, проталкивания с вращением через сужения ствола скважины в местах образования глинистых корок или прохождения осыпающихся участков с расхаживанием и вращением, а также легкого и надежного освобождения полого патрубка 7 после установки клина-отклонителя в расчетном интервале скважины.
Появление в клине-отклонителе нового элемента - кожуха 18 (фиг.1), закрепленного на скользящем кольце 17 и размещенного на полом патрубке 7 между неподвижными упорами 15 и 16, и взаимодействующего внутренней поверхностью без возможности проворота вокруг оси клина с верхней наружной поверхностью прижатого внутрь клина 1, позволяет предотвратить зацепления «головы» клина за стенки скважины особенно в искривленных ее участках и защитить клин-отклонитель от загрязнения обломками горной породы при спускоподъемных операциях. Кожух 18 со скользящим кольцом 17 и полым патрубком 7 удерживают клин в прямолинейном положении относительно всего устройства в процессе его спуска в скважину, установки и отвинчивания полого патрубка 7 из переводника 3, тем самым способствуя легкому и гарантированному его освобождению. Кроме того, кожух 18, защищая «голову» клина и скользя по стенке скважины, позволяет уменьшить осевые ударные нагрузки на резьбовые соединения всей компоновки при спуске ее в скважину и предотвратить заклинивание клина-отклонителя в сильно искривленных и кавернозных участках скважины.
Предлагаемый клин-отклонитель позволяет гарантированно, без осложнений, спустить, сориентировать и надежно зафиксировать его в заданном интервале скважины, после этого легко освободить полый патрубок с бурильной колонной и поднять их на поверхность, что в конечном итоге повысит качество работ, снизит аварийность и стоимость строительства скважин, особенно осложненных геологическими условиями.