ФРЕЗЕР-РАЙБЕР ДЛЯ ПРОРЕЗКИ БОКОВОГО "ОКНА" В ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ СКВАЖИНЫ
MILL-REAMER FOR CUTTING SIDE "WINDOW" IN CASING PIPE OF WELL

Изобретение относится к области бурения скважин на нефть, газ и воду, конкретно - к устройствам, предназначаемым за один рейс бурильного инструмента производить прорезку бокового «окна» в обсадной колонне скважины, через него выполнять углубление в горной породе на заданную глубину под намечаемый боковой ствол с отбором образца части обсадной трубы и, при необходимости, с отбором образца горной породы из зоны вырезки «окна».
Известен фрезер-райбер, содержащий армированный твердым сплавом полый корпус с цилиндрическими и коническими участками и кольцевым фрезером на нижнем конце и установленный в полости корпуса узел захвата отфрезерованной металлической ленты. Сведения об указанном устройстве опубликованы в информационном листке №75(655) Краснодарского ЦНТИ, 1969 г.
Недостатком данного устройства является малая надежность его в работе, что связано с быстрым выходом из строя узла захвата, выполненного в виде комплекта разрезных колец.
По патенту РФ №2312199, МПК Е21В 7/08, Е21В 29/06 (заявлено 13.07.2006 г., опубликовано 10.12.2007 г.) известно изобретение под названием «Компоновка для прорезки и формирования полноразмерного бокового «окна» в обсадной колонне скважины за один рейс бурильного инструмента, узел подвески отклоняющего клина», которое принимаем за аналог. Из числа существенных признаков, совпадающих с признаками заявляемого изобретения, устройство по аналогу содержит комплект фрезер-райберов с металлоразрушающими элементами на их наружной поверхности, при этом все фрезеры-райберы жестко закреплены на едином полом валу, жестко соединенном с колонной бурильных труб. На нижнем конце единого полого вала жестко закреплен зарезной фрезер-райбер, а проходной и калибрующий фрезеры-райберы жестко закреплены на наружной поверхности указанного вала.
Недостатком устройства по аналогу является то, что при достижении середины толщины вырезаемой стенки обсадной колонны, именуемой «нулевой точкой», такой райбер практически не режет металл стенки, а «мнет» его, так как окружная скорость вращения в центре райбера близка к нулю, поэтому расположенные вокруг продольной оси торцевой части зарезного фрезера-райбера металлоразрушающие элементы практически имеют нулевую скорость резания. При этом выкрашивается режущий твердосплавный материал и часто полностью теряется режущая способность фрезера-райбера. Время прорезки бокового «окна» резко увеличивается.
Наиболее близким (прототипом) к заявляемому изобретению по совокупности сходных существенных признаков из числа известных технических решений того же назначения принимаем фрезер-райбер, сведения о котором приведены в описании изобретения к авторскому свидетельству СССР №1006708, МПК Е21В 29/06 (заявлено 03.07.1981 г., опубликовано 23.03.1983 г. Бюл. №11).
Фрезер-райбер про прототипу включает в себя полый корпус с осевым сквозным выходным каналом. На наружной поверхности и с нижнего торца корпуса выполнены металлоразрушающие элементы, а внутри корпуса установлен узел захвата с элементом фиксации вырезанной из обсадной колонны металлической ленты.
Полый корпус фрезера-райбера в прототипе выполнен из соединенных между собой на резьбе нижней и верхней втулок. В нижний конец нижней втулки на резьбе ввернуты кольцевой фрезер с коронкой над ним. На наружной поверхности нижней втулки и на верхнем конце верхней втулки выполнены металлоразрушающие элементы. Нижняя втулка с кольцевым фрезером и коронкой и с металлоразрушающими элементами на ее наружной поверхности представляют собой зарезной фрезер-райбер, а верхняя втулка в устройстве по прототипу с металлоразрушающими элементами на верхнем конце ее наружной поверхности является проходным фрезером-райбером.
Внутри верхней втулки (то есть внутри проходного фрезера-райбера) размещены два узла захвата для фиксации и удерживания вырезаемой из обсадной колонны металлической ленты. Узлы захвата разделены между собой втулкой. Каждый узел захвата выполнен в виде двух полувтулок с пружинными кольцами на наружной поверхности и элементами фиксации на внутренней поверхности, выполненными в виде кольцевых зубцов конического профиля. Полувтулки установлены с возможностью радиального перемещения, при этом радиус наружной поверхности полувтулок равен радиусу внутренней поверхности полого корпуса в зоне расположения узла захвата.
Устройство по прототипу имеет следующие недостатки.
1. Для прорезки бокового «окна» в обсадной колонне скважины требуется выполнять два рейса бурильного инструмента: один - для установки отклоняющего клина, второй рейс - для вырезки «окна», так как фрезер-райбер по прототипу не позволяет крепить отклоняющий клин.
2. Устройство по прототипу из прорезанного бокового «окна» не обеспечивает углубление в горной породе на заданную глубину, так как раскрошенный цементный камень и выбуренная порода в виде керна забивают осевой канал устройства, чем перекрывают подачу промывочной жидкости в зону зарезки, прекращая дальнейшую проходку.
3. Затруднен подъем колонны бурильных труб в ситуациях, когда боковое «окно» еще не дорезано до конца, так как вырезанная часть металлической ленты верхним концом жестко удерживается в узле захвата, а недорезанный ее нижний конец продолжает оставаться частью обсадной колонны. Для подъема колонны в таких случаях требуется прилагать усилия большей величины, чем обычно. Это может привести к аварийным ситуациям.
4. У устройства по прототипу низкая эксплуатационная надежность, так как оно состоит из нескольких резьбовых деталей.
Новым техническим результатом (целью) предлагаемого изобретения является следующее:
1. Возможность производить спуск клина-отклонителя в обсадную колонну скважины на заявляемом фрезере-райбере, что позволяет выполнить работы по прорезке бокового «окна» за один рейс бурильного инструмента.
2. Возможность производить углубление в горной породе из прорезанного бокового «окна» на необходимую заданную глубину.
3. Исключение осложнений при подъеме колонны бурильных труб с бурильным инструментом при ситуациях, когда при прорезке бокового «окна» вырезаемая из обсадной колонны металлическая лента остается недорезанной до конца, то есть когда прорезка бокового «окна» еще не завершена.
4. Повышение эксплуатационной надежности.
Указанный технический результат при использовании предлагаемого изобретения достигается за счет того, что в отличие от вышеуказанного известного по прототипу фрезера-райбера в предлагаемом устройстве полый корпус выполнен единым под зарезной и проходной фрезеры-райберы, у которых наружный диаметр зарезного фрезера-райбера выполнен меньшим, чем у проходного, при этом нижняя часть зарезного фрезера-райбера выполнена снаружи сужающейся к торцу, например, в виде прямого усеченного конуса или эллипсоида, и на ней выполнены резьбовые отверстия для крепления клина-отклонителя, диаметр осевого сквозного выходного канала, выходящего из нижнего торца корпуса зарезного фрезера-райбера, выполнен по размеру не менее, чем толщина стенки вырезаемой части обсадной колонны, и на выходе из нижнего торца корпуса указанный канал выполнен в виде обратного усеченного конуса, на поверхности которого нанесены металлоразрушающие элементы, на наружной поверхности зарезного фрезера-райбера выполнены металлоразрушающие элементы в виде продольных непрерывных ребер на всю его длину до нижнего торца, а на наружной поверхности проходного фрезера-райбера металлоразрушающие элементы выполнены в виде спиральных ребер, узел захвата закреплен во втулке, которая с возможностью осевого вращения установлена внутри корпуса над его нижнем торцом, элемент фиксации узла захвата выполнен из упругоэластичного материала с заранее заданными стопорящими свойствами, обеспечивающими возможность удержания полностью вырезанной металлической ленты при подъеме фрезера-райбера из скважины и возможность скольжения по ней в ситуациях, когда такая лента еще не дорезана до конца, в теле корпуса зарезного фрезера-райбера выполнены наклонные сквозные промывочные каналы с выходом на его наружную поверхность, а между обращенными друг к другу поверхностями втулки узла захвата и корпуса выполнены продольные каналы, сообщающие внутреннюю полость корпуса с осевым сквозным выходным каналом зарезного фрезера-райбера и с его наклонными сквозными промывочными каналами.
А также за счет того, что:
- выходы наклонных сквозных промывочных каналов из тела корпуса на наружную поверхность выведены в нижней части зарезного фрезера-райбера между его ребер с металлоразрушающими элементами;
- наружные поверхности с металлоразрушающими элементами у зарезного и проходного фрезера-райбера выполнены с радиальным эксцентриситетом;
- с наружной поверхности проходного фрезера-райбера по его спиральным ребрам с металлоразрушающими элементами выполнены радиальные кольцевые канавки.
На фиг.1 дан продольный разрез заявляемого фрезера-райбера, на фиг.2 дан его наружный вид.
Заявляемый фрезер-райбер содержит единый полый корпус 1 под зарезной фрезер-райбер 2 и под проходной фрезер-райбер 3. Наружный диаметр зарезного фрезера-райбера 2 выполнен меньшим, чем у проходного фрезера-райбера 3. Нижняя часть зарезного фрезера-райбера 2 выполнена снаружи сужающейся к торцу, например, в виде прямого усеченного конуса (фиг.1 и 2) или может быть выполнена в виде эллипсоида. С наружной поверхности корпуса зарезного фрезера-райбера 2 выполнены резьбовые отверстия 4 для крепления верхнего конца клина-отклонителя (не показан). Диаметр d осевого сквозного канала 5, выходящего из нижнего торца корпуса 1 зарезного фрезера-райбера 2, выполнен по размеру не менее, чем толщина стенки вырезаемой части обсадной колонны (не показано). На выходе из нижнего торца корпуса 1 осевой сквозной выходной канал 5 зарезного фрезера-райбера 2 выполнен в виде обратного усеченного конуса 6, на поверхности которого нанесены металлоразрушающие элементы 7. Металлоразрушающие элементы на наружной поверхности зарезного фрезера-райбера 2 выполнены в виде продольных непрерывных ребер 8 на всю его длину до нижнего торца. Металлоразрушающие элементы на наружной поверхности проходного фрезера-райбера 3 выполнены в виде спиральных ребер 9. На ребра 8 и 9 нанесен композитный материал со вставками твердосплавных пластин (не показано). Наружные поверхности с металлоразрушающими элементами у зарезного 2 и проходного 3 фрезера-райбера могут быть выполнены соосными между собой или с радиальным эксцентриситетом. Узел захвата закреплен во втулке 10, которая с возможностью осевого вращения установлена внутри корпуса 1 зарезного фрезера-райбера 2 над его нижним торцом. Элемент фиксации узла захвата выполнен из упругоэластичного материала с заранее заданными стопорящими свойствами, обеспечивающими возможность удержания полностью вырезанной металлической ленты при подъеме фрезера-райбера из скважины и возможность скольжения по ней в ситуациях, когда такая лента еще не дорезана до конца. Элемент фиксации узла захвата может быть выполнен, например, в виде втулки 11 из упругого эластомера (фиг.1). В теле корпуса зарезного фрезера-райбера 2 выполнены наклонные сквозные промывочные каналы 12 с выходом на его наружную поверхность. Между обращенными друг к другу поверхностями втулки 10 узла захвата и корпуса 1 зарезного фрезера-райбера 2 выполнены продольные каналы 13, которые сообщают внутреннюю полость 14 корпуса 1 с осевым сквозным выходным каналом 5 зарезного фрезера-райбера 2 и с его наклонными сквозными промывочными каналами 12. В верхнем конце единого полого корпуса 1 выполнена резьба 15 для соединения с буровым инструментом 16, например с нижним концом единого полого вала комплекта фрезер-райберов или с нижним концом колонны бурильных труб. При этом колонны бурильных труб или полого вала комплекта фрезеров-райберов подбирают такими, что бы их внутренние диаметры были не менее диаметра d осевого канала 5. Выходы наклонных сквозных промывочных каналов 12 из тела корпуса 1 на наружную поверхность выведены в нижней части зарезного фрезера-райбера 2 между его ребер 8 с металлоразрушающими элементами. С наружной поверхности проходного фрезера-райбера 3 по его спиральным ребрам 9 с металлоразрушающими элементами выполнены радиальные кольцевые канавки 17.
Работа заявляемого фрезера-райбера
Верхний конец единого полого корпуса 1 резьбой 15 жестко крепят к буровому инструменту 16, например к нижнему концу единого полого вала комплекта фрезер-райберов, или крепят непосредственно к нижнему концу колонны бурильных труб, если для прорезки бокового «окна» достаточно только зарезного 2 и проходного 3 фрезеров-райберов.
С помощью резьбовых отверстий 4 к зарезному фрезеру-райберу 2 на срезных болтах-штифтах крепят верхний конец клина-отклонителя (не показан), после чего колонну бурильных труб спускают в скважину и ориентируют ее. Когда клин-отклонитель займет заданное положение, весом колонны срезают болты-штифты, отсоединяясь от клина-отклонителя. Затем сообщают колонне бурильных труб вращение и через нее подают промывочную жидкость в зону зарезки. Фрезеры-райберы, направляемые клином-отклонителем, производят прорезку бокового «окна» в обсадной колонне скважины. Вырезаемая при этом из обсадной колонны металлическая лента через осевой канал 5 зарезного фрезера-райбера 2 и через его узел захвата поступает во внутреннюю полость 14 корпуса 1 и удерживается в ней элементами фиксации. Затем через прорезанное в обсадной колонне боковое «окно» выполняют углубление в горной породе. Поступающие при этом в осевой сквозной выходной канал 5 цементный камень и горная порода за счет своих хрупких свойств и благодаря принятому диаметру осевого канала разрушаются и не препятствуют проходке в горной породе по углублению под боковой ствол. Этому в большей степени способствует выполнение с радиальным эксцентриситетом между собой наружных поверхностей с металлоразрушающими элементами у зарезного и проходного фрезер-райберов.
Выполнение наружного диаметра зарезного фрезера-райбера 2 меньшим, чем проходного 3, предложенная форма выполнения нижней части зарезного фрезера-райбера 2 и его торца, принятая величина диаметра d осевого сквозного выходного канала 5, обеспечение подачи промывочной жидкости в зону зарезки двумя независимыми направлениями: одно из них - через продольные каналы 13 и наклонные сквозные промывочные каналы 12, второе - напрямую через осевой канал 5, как одновременно по обоим направлениям, так и отдельно по любому из них (в случае засорения одного из них продуктами бурения), предложенное расположение ребер 8 и 9 с металлоразрушающими элементами на наружной поверхности зарезного 2 и проходного 3 фрезеров-райберов, выполнение радиальных кольцевых канавок 17 на наружной поверхности проходного фрезера-райбера 3, то все указанные выше конструктивные признаки в совокупности обеспечивают сокращение общего времени прорезки бокового «окна» в обсадной колонне при безостановочном прохождении «нулевой точки» и позволяют через прорезанное боковое «окно» производить углубление в горной породе на необходимую заданную глубину и после завершения углубления, при необходимости, отбирать образец горной породы.
Благодаря тому, что на наружной поверхности зарезного фрезера-райбера 2 предложено выполнить резьбовые отверстия 4 для крепления клина-отклонителя, все указанные выше работы, а именно спуск в скважину клина-отклонителя, прорезка бокового «окна» в обсадной колонне и через него углубление в горной породе под боковой ствол, включая отбор образца части обсадной трубы и, при необходимости, отбор образца горной породы из зоны вырезки бокового «окна», заявляемый фрезер-райбер позволяет производить за один рейс бурильного инструмента.
Благодаря закреплению узла захвата во втулке 10, установленной с возможностью ее осевого вращения, и благодаря выполнению элемента фиксации в узле захвата из упругоэластичного материала с заданными свойствами, обеспечивающими возможность удержания вырезанной металлической ленты и возможность скольжения по ней в ситуациях, когда лента еще не дорезана до конца, исключаются аварийные ситуации при вынужденном подъеме колонны бурильных труб.
Благодаря выполнению полого корпуса единым под зарезной и проходной фрезеры-райберы достигается повышение эксплуатационной надежности заявляемого фрезера-райбера.
Выполнение радиальных кольцевых канавок 17 на наружной поверхности проходного фрезера-райбера 3 по его спиральным ребрам 9 увеличивает удельное давление (агрессивность) металлорежущих элементов на вырезаемую среду, что сокращает время прорезки бокового «окна» в обсадной колонне и время проходки в горной породе.
Заявляемый фрезер-райбер с диаметром осевого сквозного выходного канала, равным 25 мм, был испытан при прорезке бокового «окна» в обсадной колонне диаметром 146 мм с толщиной стенки 12 мм с выходом в твердые крепкие горные породы на глубину 4 м и отбором образца горной породы после углубления при частоте вращения ротора 80-120 об/мин, при расходе промывочной жидкости 8-12 л/с и осевой нагрузке 1500-2000 кг. 3а 8 часов работы в указанной обсадной колонне было прорезано боковое «окно» длиной 4,8 м.
После зарезки бокового «окна» и выполнения углубления в горной породе при подъеме заявляемого устройства на дневную поверхность была доставлена вырезанная из обсадной колонны металлическая полоса длиной 750 мм, шириной 25 мм и толщиной 12 мм, а также был доставлен образец горной породы.
Доставленная на дневную поверхность металлическая лента позволила судить о состоянии обсадной колонны скважины на то время, когда производилась вырезка бокового «окна», а образец горной породы позволил судить о литологии горной породы в зоне вырезанного «окна».