КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЫРЕЗАНИЯ "ОКНА" В ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ
SET OF EQUIPMENT FOR CUTTING OPENING IN CASING STRING

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и служит для вырезания «окон» в обсадной колонне для дальнейшего бурения дополнительных боковых стволов.
Известно однопроходное устройство с уипстоком для образования «окна» в обсадной трубе скважины (патент РФ №2173761, МПК 7 E21B 29/06), включающее отклоняющий клин (уипсток) с основной отклоняющей поверхностью, фрезерный инструмент, с возможностью разъединения, пакер, выполненный с возможностью фиксации за стенки обсадной трубы.
Недостатком известного устройства является то, что 1) пакерное устройство имеет относительно малую площадь контакта с обсадной колонной, что не обеспечивает в должной степени качественного сцепления, 2) в процессе спуска устройства на заданную глубину, необходимо производить долив воды (во внутреннюю полость бурильных труб), 3) промывочные отверстия на фрезере располагаются на основной режущей его части, что в процессе фрезерования обсадной колонны может привести к потере циркуляции промывочной жидкости, т.к. высока вероятность закупоривания промывочных отверстий металлическим шламом.
Известно устройство для вырезания «окна» в обсадной колонне (патент РФ №2278239, МПК E21B 29/06), включающее клин-отклонитель с направляющей поверхностью, механический якорь, 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, а клин-отклонитель имеет уступ выполненный с возможностью его взаимодействия с утолщением оконного фрезера в момент вырезания стенки обсадной колонны.
Недостатком известного устройства является то, что 1) якорный узел имеет относительно малую площадь контакта (плашек) с эксплуатационной колонной, что не обеспечивает в должной степени качественного сцепления и может привести к смещению (провороту) клина-отклонителя в процессе фрезерования, 2) возникает необходимость установки цементного моста в стволе скважины, т.к. якорный узел устройства требует упора на забой.
Наиболее близким к заявляемому по конструктивным признакам и достигаемому результату является устройство для забуривания боковых стволов из обсаженной скважины (прототип - патент РФ №2263196, МПК 7 E21B 7/08), содержащий отклоняющий клин с закрепляющим механизмом в виде гофрированной трубы, один конец которой заглушён, канал для подачи жидкости в полость профильной трубы, в верхней части отклоняющего клина посредством срезного винта установлен фрезерующий инструмент устройства - фрезеры оконный и расширяющий.
Недостатками прототипа являются:
1) Значительная доля работы фрезера затрачивается на выполнение непроизводительной работы, т.к. в процессе работы помимо фрезерования обсадной колонны происходит также и фрезерование корпуса (направляющего желоба) клина-отклонителя, на что по проведенным расчетам затрачивается более половины мощности произведенной работы (до 51%). Это уменьшает ресурс работы фрезеров, а также создает опасность смещения (проворота) корпуса клина-отклонителя относительно вырезаемого «окна»;
2) Вследствие конструктивных особенностей элементов фрезерующей части устройства (арбузообразная форма фреза) и его геометрических размеров, процесс фрезерования обсадной колонны у данного устройства носит явно неопределенный характер - от истирания-резания до выдавливания и разрыва стенок эксплуатационной колонны. Это создает значительные динамические нагрузки на бурильный инструмент (подклинки бурового инструмента и др.) и отрицательно сказывается на качестве вырезаемого «окна»;
3) В процессе спуска устройства в скважину необходимо постоянно заполнять промывочной жидкостью внутритрубное и затрубное пространство бурильных труб (производить долив). Невыполнение этого условия приводит к преждевременной деформации (раскрытию или смятию) профильной трубы, вследствие нарушения гидродинамического равновесия давления во внутритрубном и затрубном пространствах.
Задачей изобретения является устранение вышеприведенных недостатков и повышение эффективности фрезерования «окна» в обсадной колонне за счет исключения касания твердосплавного вооружения фрезера корпуса (направляющего желоба) клина-отклонителя в процессе работы и увеличения ресурса работы последних, а также за счет сокращения непроизводительного времени затрачиваемого на долив скважины.
Указанный результат достигается в предлагаемом комплекте оборудования для вырезания «окна».
Комплект оборудования для вырезания «окна» в обсадной колонне, включающий клин-отклонитель с заякоривающим механизмом, выполненным в виде профильной трубы с заглушённым нижним концом, между которыми размещен шарнирный переводник, гидропровод, связывающий полость бурильных труб с полостью профильной трубы; фрезерующий инструмент, установленный в верхней части клина-отклонителя посредством срезного винта с возможностью его разъединения от клина-отклонителя, согласно изобретению оконный фрез содержит опорное кольцо, представляющее собой подшипник скольжения, установленное на корпусе оконного фреза, с наружным диаметром, превышающим диаметр последнего на величину зазора, предотвращающего касание твердосплавных элементов вооружения фрезеров направляющей поверхности (желоба) клина-отклонителя, само опорное кольцо выполнено из легкоразрушаемого материала (например, дюрали), форма лопастей зарезного фреза с твердосплавным вооружением выполнена выступающей под прямым углом относительно корпуса фреза, комплект оборудования дополнительно содержит двухпозиционный промывочный узел, изготовленный с возможностью перекрытия гидродинамического канала сообщения между внутритрубным и затрубным пространствами посредством бросового шара.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлен продольный разрез комплекта оборудования в транспортном положении (в процессе спуска оборудования в скважину);
на фиг.2 - расположение комплекта оборудования в скважине;
на фиг.3 - продольный разрез оконного и зарезного фрезеров в сборе;
на фиг.4 - продольный разрез двухпозиционного промывочного узела а, б - с открытым и закрытым боковым отверстием соответственно;
на фиг. 5 - продольный разрез оборудования на соответствующих этапах работы оборудования:
а - в процессе заякоривания клина-отклонителя;
б - отсоединение фрезерующей части оборудования от клина-отклонителя;
в - в процессе фрезерования эксплуатационной колонны.
Изобретение содержит следующие элементы (см. фиг.1…6):
(фиг.1): 1 - клина-отклонитель; 2 - гидропровод; 3 - направляющая поверхность (желоб) клина-отклонителя; 4 - оконный фрез; 5 - вооружение зарезного фреза; 6 - зарезной фрез; 7 - двухпозиционный промывочный узел; 8 - плунжер; 9 - бросовый шар; 10 - вооружение расширяющего фреза; 11 - расширяющий фрез; 12 - осевой гидравлический канал;
(на фиг.2) 13 - профильная труба; 14 - шарнирный узел; 15 - опорное кольцо; 16 - соединительный срезной элемент; 17 - бурильные трубы; 18 - эксплуатационная колонна;
(на фиг.3) 19 - центральное промывочное отверстие; 20 - вооружение оконного фреза; 21 - заглушки промывочных отверстий; 22 - уплотнительная втулка гидропровода;
(на фиг.4) 23 - расширенная полость промывочного узла; 24 - боковое промывочное отверстие; 25 - промывочные отверстия плунжера; 26 - срезной винт плунжера;
(на фиг.6) 27 - промывочное отверстие.
Комплект оборудования для вырезания «окна» в эксплуатационной колонне работает следующим образом.
Перед началом работ по вырезанию «окна» в обсадной колонне скважину заполняют буровым раствором или технической водой. Собирают компоновку оборудования в следующей последовательности (см. фиг.2).
Профильная труба 13 (заполненная водой) совместно с клином-отклонителем 1 опускается ниже стола ротора буровой. К верхней части клина-отклонителя 1 и с помощью соединительного срезного элемента 16 крепится фрезерующая часть оборудования, состоящая из трех фрезеров: оконного 4, зарезного 6 и расширяющего 11. Далее комплект оборудования спускается в скважину на бурильных трубах 17 до интервала вырезания «окна». В процессе спуска, через боковое промывочное отверстие 24 двухпозиционного промывочного узла 7 (фиг.1) происходит самозаполнение внутренней полости колонны бурильных труб, что обеспечивает гидродинамическое равновесие в скважине и трубах. После спуска оборудования до проектной глубины производят якорение (фиксацию) клина-отклонителя 1 в скважине. Для этого внутрь бурильных труб 17 сбрасывают бросовый шар 9, который под действием силы тяжести и гидравлического давления со стороны бурового насоса доходит до двухпозиционного промывочного узла 7 и плотно садится в посадочное седло плунжера 8. Вследствие перекрытия отверстия, циркуляция жидкости через боковое промывочное отверстие 24 прекращается и происходит рост внутритрубного давления, которое при достижении определенной величины (при величине перепада давления около 3 МПа) приводит к срезу срезного винта плунжера 26 (фиг. 4), фиксирующего плунжер 8. Под действием вышесказанного гидравлического давления плунжер 8 перемещается вниз, перекрывая при этом боковое промывочное отверстие 24 корпусом, и входит в расширенную полость промывочного узла 23 двухпозиционного промывочного узла 7 (фиг.1). При этом через промывочные отверстия 25 плунжера 8 и гидропровода 2 появляется гидравлическое сообщение между осевым гидравлическим каналом 12 и полостью профильной трубы 13 (фиг.4 и 5а). С помощью бурового насоса плавно повышают давление до 10 МПа. Вследствие замкнутости внутренней полости профильной трубы 13 (нижний конец которой заглушён) она начинает раскрываться (раздуваться) в радиальном направлении, прижимаясь к внутренней стенке эксплуатационной колонны 18. Наружный диаметр профильной трубы 13 в раскрытом положении соответствует внутреннему диаметру эксплуатационной колонны 18, поэтому обеспечивается плотное прижатие. По результатам проведенных стендовых испытаний величина силы сцепления достигает значительных величин (до 30 т/м), что является достаточным для надежной фиксации клина-отклонителя в обсаженной скважине.
Профильная труба 13 выпускается отечественной промышленностью в виде тонкостенных труб (толщина стенки 3…6 мм) и может иметь различные профили, в т.ч. и в форме многолучевой звезды, наружный диаметр описанной окружности которой должен быть меньше внутреннего диаметра колонны.
После якорения клина-отклонителя 1 производят его отсоединение путем натяжения колонны бурильных труб 17 вверх до создания критической растягивающей нагрузки - около 9 т. В этот момент происходит срез соединительного срезного элемента 16 и отсоединение фрезерующей части оборудования с колонной бурильных труб 17. При этом верхняя часть гидропровода 2 (медная трубка) выходит из уплотнительной втулки гидропровода 22 и открывает центральное промывочное отверстие 19 оконного фреза 4, через которое производится промывка скважины (фиг.4 и 5б).
Ротором буровой через колонну бурильных труб 17 придают вращение фрезерующей части компоновки, состоящей из оконного 4, зарезного 6 и расширяющего 11 фрезеров с частотой вращения в пределах 60…100 об/мин и медленно подают буровой инструмент вниз. Заглушки для закрытия промывочных отверстий 21 (фиг.3) выполнены из хрупкого металла (чугуна), которые при вращении ломаются от удара о направляющую поверхность (желоб) клина-отклонителя 3 и открывают промывочные отверстия 27 оконного фреза 4. Оконный фрез 4, являясь крайним нижним элементом компоновки, при подаче бурового инструмента вниз первым касается наклонной поверхности клина-отклонителя 1 и, совершая вращательно-поступательное движение (как и вся компоновка), скользит по направляющей поверхности (желобу) клина-отклонителя, опираясь на опорное кольцо 15. Наличие опорного кольца позволяет обеспечивать необходимый технологический зазор между элементами вооружения оконного 4 и зарезного фрезов 6, а также направляющей поверхностью (желобом) клина-отклонителя 3 (фиг.6), не допуская при этом касания последнего и предохраняя его от воздействия ударных нагрузок вооружения фрезеров (фиг.5в).
Осевая нагрузка, созданная весом бурильной колонны на опорное кольцо 15 оконного фреза 4, распределяется через точки касания на клин-отклонитель (в начале фрезерования) и, согласно расчетам, примерно через 250…300 мм (от начала фрезерования) на внутреннюю стенку эксплуатационной колонны 18. Контактная нагрузка, приходящаяся на клин-отклонитель 1 и на внутреннюю стенку эксплуатационной колонны 18, распределяется практически поровну (соответственно 51% и 49% от создаваемой осевой нагрузки). Например, при создании осевой нагрузки в 2000 кг величина контактной нагрузки, приходящейся на опорное кольцо 15 оконного фреза 4, будет распределяться следующим образом: на клин-отклонитель - 1020 кг, на стенку эксплуатационной колонны - 980 кг. Исходя из величин контактных нагрузок, производится расчет конструктивных параметров и выбор материала опорного кольца 15. В предлагаемом комплекте оборудования опорное кольцо 15 изготовлено из легкоразрушаемого материала (например, дюрали), выдерживающего вышеуказанные контактные нагрузки и разрушающегося при их превышении. Конструкция опорного кольца 15 выполнена аналогично подшипнику скольжения, а именно с возможностью независимого от корпуса вращения. При этом по произведенным расчетам его наружный диаметр превышает диаметр корпуса оконного фреза и составляет в зависимости от типоразмера применяемого оборудования 1,5…3,0 мм (фиг.3).
По окончании процесса фрезерования и выхода фрезерующего инструмента из обсадной колонны в горную породу выключают ротор и останавливают вращение бурильной колонны. Проверяют качество вырезанного «окна» на проходимость путем двукратного спуска компоновки до забоя и его подъема. Далее бурильные трубы 17 с фрезерующим инструментом извлекают на поверхность, а клин-отклонитель 1 и профильная труба 13 остаются в скважине и служат как направление для бурения бокового ствола, а также для крепления бокового ствола скважины колонной-хвостовиком.
Источники информации
1. СМИТ ИНТЕРНЭШНЛ, ИНК «Однопроходное устройство с уипстоком для образования окна в обсадной трубе скважины». Патент РФ №2173761, опубл. 2001.09.20.
2. Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие «Буринтех» «Система для вырезания окна в обсадной колонне». Патент РФ №2278239, опубл. 2006.06.20, бюл. №17.
3. Гибадуллин Н.З., Гилязов P.M., Низамов Д.И. и др. «Устройство для забуривания боковых стволов из обсаженной скважины». Патент РФ №2263196, опубл. 2005.10.27, бюл. №30.