Башмак направляющий для установки профильного перекрывателя в скважине
GUIDE SHOE FOR INSTALLATION OF SHAPED SHUTTER IN WELL

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к устройствам для установки профильных перекрывателей при изоляции ими зон осложнений при бурении горизонтальных участков скважин или крепления боковых стволов многоствольных и многозабойных скважин, и может быть применено при строительстве горизонтальных, многоствольных и многозабойных скважин.
Известен башмак для установки профильного перекрывателя (ПП) в скважине (патент RU № 2208125, МПК Е21В 29/10, опубл. 10.07.2003 г., Бюл. № 19), включающий корпус с резьбой для соединения с перекрывателем и c центральным проходным каналом, седло и шаровой клапан. При этом башмак снабжен вкладышем, а шаровой клапан размещен в углублении, выполненном в стенке корпуса, и подпружинен. Седло шарового клапана выполнено в виде втулки, установленной в проходном канале корпуса соосно подвижно относительно его оси, зафиксированной от продольных перемещений фиксатором в виде стопорного кольца, размещенного в кольцевой проточке, выполненной во вкладыше, срабатывающем при возрастании гидравлического давления в проходном канале корпуса, причем в стенке корпуса выполнены каналы, сообщающие его центральный проходной канал и углубление для шарового клапана с внешним пространством.
Недостатками известного башмака являются:
- низкая надежность конструкции, так как не всегда удается отсоединить башмак от ПП из-за повреждения его резьбы ловителем развальцевателя при одновременном развальцовывании ПП и ввинчивании ниппельной резьбы ловителя в муфтовую резьбу башмака;
- невозможность выправления ПП вследствие загрязнения башмака буровым шламом при движении по горизонтальной части ствола скважины, что приводит к несрабатыванию запорного элемента обратного клапана и невыходу его в рабочее положение;
- невозможность доведения ПП до интервала установки вследствие упора башмака в выступы или в стенку каверны, которые образуются в зонах осложнений при бурении горизонтальных участков скважин при переходе от рыхлых пород к твердым, в конструкции башмака отсутствует отклоняющее и направляющее устройство;
- большое количество непроизводительных спуско-подъемных операций (СПО), связанных с необходимостью ликвидации осложнений (аварийных ситуаций), перечисленных выше, приводящих к извлечению ПП из скважины и очистке башмака, проработке уступов специальными инструментами, например расширителями, калибраторами и т.п., затем повторному спуску ПП в скважину, что увеличивает сроки строительства горизонтальных, многоствольных и многозабойных скважин.
Известен башмак с направляющим устройством (патент RU № 89164, МПК Е21В 29/10, опубл. 27.11.2009 г., Бюл. № 33), присоединенный на резьбе к хвостовику из профильных труб, содержащий центральный канал, гидравлически связанный с полостью упомянутого хвостовика. При использовании самоориентирующегося направляющего устройства узел крепления выполнен в виде подвески, а в центральном канале башмака профрезерована радиальная проточка, образующая полку с двумя пазами по радиусу, в которые своими выступами вставлена упомянутая подвеска для крепления самоориентирующегося направляющего устройства. В пазы вставлены вкладыши, фиксирующие подвеску от осевого вращения, а сами вкладыши от продольных перемещений зафиксированы прижимной гайкой.
Недостатками известного башмака являются:
- сложность и дороговизна в изготовлении и ремонте из-за наличия шлицевых и сопрягаемых сферических поверхностей, сложность их герметизации и, как следствие, высокая стоимость устройства;
- сложность конструкции самого башмака и захватного устройства развальцевателя для его извлечения и, как следствие, сложность изготовления и высокая стоимость устройства;
- сложность конструкции и изготовления. Конструктивно сложно соединить башмак с самоориентирующимся устройством, так как в конструкции самоориентирующегося устройства установлен гидродвигатель, работающий при большом расходе жидкости, что не осуществимо из-за конструктивно малого размера промывочного канала подвески и высокой вероятности аварийных ситуаций вследствие несанкционированного выправления профильных труб в процессе ориентирования башмака;
- высокая вероятность аварийных ситуаций, связанных с неконтролируемым закрытием промывочного канала устройства при упоре его в выступы твердых пород или в стенку каверны, образующихся в переходных участках ствола от мягких к твердым породам при бурении горизонтальных скважин или бокового ствола (БС) многоствольных скважин;
- высокая вероятность аварийных ситуаций, связанных с невозможностью закрытия промывочного канала башмака с упором на забой в интервале установки, так как при изоляции зоны осложнения бурения в виде осыпания породы забой рыхлый или отсутствует в зоне провала, и катастрофического поглощения промывочной жидкости.
Известен гидравлический скважинный отклоняющий узел (патент RU № 2318112, МПК Е21В 23/00, опубл. 27.02.2008 г., Бюл. № 6), включающий корпус с центральным проходным каналом, сферической выборкой снизу и внутренней проточкой в средней части, в которую герметично вставлен с возможностью осевого перемещения вниз подпружиненный вверх поршень со штоком, оснащенный центральным проходным каналом. Отклоняющая головка с полусферой вверху герметично взаимодействует с возможностью поворота и отклонения с нижней частью сферической выборки корпуса и при этом подпружинена от корпуса. В корпусе между отклоняющей головкой и штоком установлен эксцентричный полый упор, взаимодействующий сверху с нижним торцом штока. Эксцентричный полый упор оснащен снизу снаружи полусферой и сегментом с нижнего торца, причем полусфера эксцентричного полого упора взаимодействует с верхней частью сферической выборки корпуса, а сегмент взаимодействует с верхней плоскостью полусферы отклоняющей головки с возможностью её отклонения в противоположную сторону от сегмента при перемещении штока с поршнем вниз.
Недостатками данного устройства являются:
- наличие сложноизготавливаемых и дорогостоящих в изготовлении сопрягаемых сферических поверхностей, сложность их герметизации и, как следствие, высокая стоимость устройства;
- высокая вероятность аварийных ситуаций, связанных с возможностью недоведения ПП до интервала установки из-за несанкционированного выправления продольногофрированной подвески или хвостовика из продольногофрированных труб в основном стволе вследствие необходимости поддерживания большого расхода жидкости для отклонения отклоняющей головки на определенный угол от оси устройства при вхождении его в окно БС или при преодолении уступов и выхода из каверн;
- невозможность прохождения устройством зон осложнений при бурении горизонтальных участков скважины в виде осыпей и обвалов породы с верхней стенки ствола скважины или шламовых пробок, так как направляющая часть устройства не фиксируется относительно цилиндрической части и свободно вращается вокруг оси устройства в сферическом шарнирном соединении. Гидравлический скважинный отклоняющий узел обеспечивает только поворот отклоняющей головки на заданный угол, но не может передать ей крутящий момент для механического разрушения таких препятствий;
- невозможность отсоединения устройства от ПП и извлечения его из скважины из-за конструктивного отсутствия узла захвата, отсоединения и извлечения;
- другое функциональное назначение устройства – отклонение гибкой трубы при проведении ремонтных работ в пробуренных многоствольных и многозабойных скважинах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство направляющее для ввода хвостовика в боковой ствол (патент RU № 2483187, МПК Е21В 23/03, опубл. 27.05.2013 г., Бюл. № 15), включающее цилиндрическую часть и направляющую часть с косым срезом, боковое отверстие с соплом для прохода жидкости со стороны среза и выдвижной радиальный шток, расположенный в цилиндрической части со стороны бокового отверстия. При этом цилиндрическая часть выполнена сборной, состоящей из верхнего и нижнего блоков, соединенных между собой выше выдвижного штока шарнирным соединением с каналом с проходным сечением большим, чем сечение сопла бокового отверстия. Причем в цилиндрической части выше шарнирного соединения, позволяющего ограниченно отклонять нижний блок относительно верхнего в противоположную от штока сторону, выполнены радиальные отверстия, герметично перекрытые изнутри седлом бросового шарика. А между шарнирным соединением и седлом установлена пробка с боковым продольным проточным каналом, причем седло зафиксировано относительно верхнего блока в транспортном положении срезным элементом и выполнено с возможностью перемещения вниз до взаимодействия с пробкой, герметично перекрывающей проходной канал седла.
Недостатками устройства являются:
- невозможность извлечения устройства из скважины, так как его назначение - спуск в скважину хвостовика с последующим цементированием и в его конструкции отсутствуют устройства для захвата, отсоединения и извлечения из скважины;
- сложность конструкции и изготовления из-за наличия сложных и дорогостоящих в изготовлении сопрягаемых сферических поверхностей, сложность их герметизации и, как следствие, высокая стоимость устройства;
- невозможность прохождения устройством зон осложнений при бурении горизонтальных участков скважины в виде осыпей и обвалов породы с верхней стенки ствола скважины или шламовых пробок, так как направляющая часть устройства не фиксируется относительно цилиндрической части и свободно вращается вокруг оси устройства в сферическом шарнирном соединении, а в случае заклинивания направляющей части в осыпавшейся породе или в шламовой пробке цилиндрическая часть устройства с ПП и колонной бурильных труб будет вращаться вокруг шарнирного соединения, не передавая крутящий момент направляющей части, струя жидкости из бокового отверстия не попадает на породу или шламовую пробку, поэтому не может разрушать и удалять их, отсутствует устройство для их механического разрушения, что приводит к дополнительным СПО по извлечению ПП из скважины, спуску различных устройств для их разрушения и удаления из горизонтальной части ствола скважины или БС, а затем повторному спуску ПП;
- высокая вероятность аварийных ситуаций, связанных с невозможностью выправления ПП, так как шарик или продавочная пробка, которые вводятся с устья скважины, могут застревать в продольных гофрах ПП и не доходить до седла клапана устройства или застревать в посадочном устройстве ПП;
- необходимость дополнительного спуска инструмента для разбуривания башмака при продолжении бурения скважины после изоляции зоны осложнений ПП, что увеличивает сроки строительства горизонтальных и многоствольных скважин и повышает их стоимость.
Техническими задачами предлагаемого изобретения являются создание простой в изготовлении и надежной в эксплуатации конструкции башмака направляющего для установки ПП в скважине, с расширением функциональных возможностей за счет работы в горизонтальных стволах, позволяющего преодолевать уступы и каверны, производить проработку ствола в процессе спуска ПП до интервала установки, управляемо герметично закрываться при установке ПП и полностью извлекаться из скважины, что позволит исключить дополнительные СПО инструмента для проработки ствола и разбуривания башмака, сократить число аварийных ситуаций, что в конечном счёте сократит время и снизит стоимость строительства горизонтальных, многоствольных и многозабойных скважин.
Технические задачи решаются башмаком направляющим для установки профильного перекрывателя в скважине, включающим цилиндрическую часть и направляющую часть с косым срезом, соединенных между собой шарнирным соединением, позволяющим ограниченно отклонять направляющую часть относительно цилиндрической части, боковое отверстие с соплом для прохода жидкости со стороны среза и седло, установленное в цилиндрической части, выше шарнирного соединения.
Новым является то, что направляющая часть с косым срезом оснащена отверстием с соплом, выполненным продольно оси башмака направляющего, выходящим на косой срез меньшего диаметра, чем диаметр бокового отверстия, цилиндрическая часть снабжена клапаном, выполненным в виде втулки с верхним глухим осевым каналом и сообщенными с осевым каналом радиальными каналами, сообщающими пространство башмака направляющего над и под втулкой, причем втулка зафиксирована срезными элементами в верхнем положении над седлом и выполнена с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных элементов с герметичным перекрытием полости цилиндрической части при взаимодействии с седлом и фиксации замковым механизмом в нижнем положении, причем замковый механизм выполнен в виде пружинного кольца, вставленного в кольцевую выборку снаружи втулки и выполненного с возможностью взаимодействия с внутренней кольцевой проточкой внутри цилиндрической части в нижнем положении втулки, при этом цилиндрическая и направляющая части соединены полуосями, а герметизация внутренней полости осуществляется эластичным рукавом, закрепленным герметично в цилиндрической и направляющей частях конусными втулками, башмак направляющий снабжен сверху головкой под ловильный инструмент и проточными отверстиями, а также верхними торцевыми выступами для отворота.
На фиг. 1 показан башмак направляющий для установки ПП в скважине в транспортном положении (частично в разрезе).
На фиг. 2 – то же в рабочем положении (отклоненный башмак под действием реактивной силы струи жидкости).
На фиг. 3 – разрез А-А фиг. 1, шарнирное соединение.
На фиг. 4 – башмак направляющий после установки ПП, соединенный с ловильным инструментом для отворота от ПП (частично в разрезе).
На фиг. 5 – выносной элемент Б (частично в разрезе).
Башмак направляющий 1 (фиг. 1) для установки ПП 2 в скважине 3 включает цилиндрическую часть 4 и направляющую часть 5 с косым срезом 6, соединенных между собой шарнирным соединением 7 (фиг. 3), позволяющим ограниченно отклонять направляющую часть 5 (фиг. 2) относительно цилиндрической части 4, боковое отверстие 8 (фиг. 1) с соплом 9 для прохода жидкости со стороны среза 6. Седло 10 (фиг. 1 и 5) установлено в цилиндрической части 4 башмака направляющего 1. Направляющая часть 5 (фиг. 1) с косым срезом 6 оснащена отверстием 11 с соплом 9, выполненным продольно оси башмака направляющего 1, выходящим на косой срез 6 меньшего диаметра, чем диаметр бокового отверстия 8. Цилиндрическая часть 4 снабжена клапаном, выполненным в виде втулки 12 (фиг. 1 и 5) с верхним глухим осевым каналом 13 и сообщенными с осевым каналом 13 радиальными каналами 14, сообщающими пространство башмака направляющего 1 над и под втулкой 12. Причем втулка 12 зафиксирована срезными элементами 15 в верхнем положении над седлом 10 и выполнена с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных элементов 15 с герметичным перекрытием полости цилиндрической части 4 при взаимодействии с седлом 10 и фиксации замковым механизмом в нижнем положении. Причем замковый механизм выполнен в виде пружинного кольца 16, вставленного в кольцевую выборку 17 снаружи втулки 12 и выполненного с возможностью взаимодействия с внутренней кольцевой проточкой 18 внутри цилиндрической части 4 в нижнем положении втулки 12. При этом цилиндрическая 4 и направляющая 5 части башмака направляющего 1 (фиг. 1 и 3) соединены полуосями 19 (фиг. 3), а герметизация внутренней полости осуществляется эластичным рукавом 20 (фиг. 1 и 3), закрепленным герметично в цилиндрической 4 и направляющей 5 частях конусными втулками 21 (фиг. 1). Причем башмак направляющий 1 (фиг. 1, 4 и 5) снабжен сверху головкой 22 под ловильный инструмент 23 (фиг. 1 и 4) и проточными отверстиями 24 (фиг. 1 и 5), а также верхними торцевыми выступами 25 для отворота.
Технические соединительные и уплотнительные элементы, не влияющие на работоспособность башмака направляющего, для упрощения чертежей и описания на фигурах 1–5 не показаны или показаны условно.
Башмак направляющий работает следующим образом.
На устье скважины 3 (на фиг. 1 не показано) собирают ПП 2 из продольно гофрированных труб 26 с цилиндрическими концами (например, патент RU № 2439283 и т.п. – на фиг. 1, 2 и 4 не показаны). К цилиндрической части нижней профильной трубы 26 (фиг. 1 и 5) жестко присоединяют направляющий башмак 1 при помощи резьбы 27. К верхнему цилиндрическому концу верхней профильной трубы 26 (фиг. 1) присоединяют посадочное устройство на проходной резьбе, например посадочную головку с вальцующими роликами (например, пат. RU № 2439283) и т.п., оснащенную резьбой для соединения с последующими развальцевателями и бурильными трубами (на фиг. 1 не показаны). К посадочной головке присоединен ловитель 23, например, при помощи резьбы и т.п. способами. При этом выступы 28 ловителя 23 упираются в профильные впадины профильной трубы 26, предотвращая несанкционированное вращение посадочной головки и отсоединение её от ПП 2 до полного его выправления давлением жидкости. Цилиндрическая 4 и направляющая 5 части направляющего башмака 1 соединены полуосями 19 (фиг. 3) шарнирного соединения 7, которые обеспечивают отклонение направляющей части 5 (фиг. 2) только в одной плоскости, а конструкция цилиндрической части 4 ограничивает её отклонение на определённый угол 2–4° и только в одном направлении – противоположном скосу 6. Герметизация шарнирного соединения 7 (фиг. 1 и 3) и внутренней полости башмака 1 осуществляется эластичным рукавом 20, закрепленным герметично в цилиндрической 4 и направляющей 5 частях конусными втулками 21 (фиг. 1). При этом эластичный рукав 20 одновременно выполняет роль пружины, возвращая направляющую часть 5 в исходное положение при прекращении прокачивания промывочной жидкости через башмак 1 при продвижении ПП 2 по ровному участку ствола скважины 3.
Простота конструкции башмака направляющего 1 позволяет повысить его надежность и работоспособность за счет применения стандартных и технологичных в изготовлении деталей, упрощения герметизации их между собой и внутренней полости башмака 1, что не требует специальных обрабатывающих станков для его изготовления, повышает ремонтопригодность и снижает стоимость устройства.
Собранный ПП 2 (фиг. 2) спускают в скважину 3 в интервал установки 29 на колонне бурильных труб (не показаны) с периодической промывкой для корректировки технологических параметров бурового раствора с целью предотвращения дальнейшего увеличения зоны осложнений в интервале установки 29 ПП 2. В случае упора башмака направляющего 1 в уступ, каверну, шламовую пробку или осыпавшуюся породу (на фиг. 2 не показаны), что фиксируется снижением веса колонны труб на индикаторе веса на устье скважины (не показано), приподнимают колонну труб на устье скважины 3 так, чтобы можно было соединиться с ведущей трубой (на фиг. 2 не показана) и буровым насосом или цементировочным агрегатом (не показаны), начинают прокачивать промывочную жидкость с расходом, определяемым эмпирически для каждого типоразмера ПП 2 в зависимости от его диаметра, толщины стенки, глубины скважины 3 и т.п. факторов, которая, протекая через профильные трубы 26, проточные 24, боковое 8 и продольное 11 (фиг. 2) отверстия башмака направляющего 1, не создаёт перепада давления, достаточного для выправления ПП 2 (например, патент RU № 2339786), поэтому не происходит изменения геометрических размеров профильных труб 26 ПП 2 и они не выправляются, а реактивная сила струи жидкости, вытекающей из бокового отверстия 8, достаточна для отклонения на 2–4° направляющей части 5 башмака 1, оснащенной косым срезом 6 относительно цилиндрической части 4, и преодоления уступа или выхода из каверны и дальнейшего продвижения ПП 2 по стволу скважины 3. С целью предотвращения размыва бокового 8 и продольного 11 отверстий абразивными частицами промывочной жидкости их оснащают соплами 9, которые изготавливают из износостойкого материала.
В случае необходимости механического разрушения шламовой пробки или участка осыпавшейся породы (на фиг. 2 не показаны) начинают вращать колонну труб ротором (на фиг. 2 не показаны) и плавно опускать её в скважину, при этом выступы 28 (фиг. 1) ловильного инструмента 23 упираются в профильные впадины верхней профильной трубы 26 и передают вращающий момент ПП 2 с направляющим башмаком 1. Направляющая часть 5 башмака 1 с косым срезом 6, отклоняясь от цилиндрической части 4 и вращаясь, своим острым концом механически разрушает и струёй из продольного отверстия 11 (фиг. 2) вымывает шламовую пробку или осыпавшуюся породу, а струя жидкости из бокового отверстия 8 подхватывает частицы шлама и породы и выносит из скважины 3 на поверхность. Освободив ствол скважины 3 от загрязнений для прохода ПП 2, что фиксируется восстановлением веса колонны труб на индикаторе веса на устье (на фиг. 2 не показан), продолжают спуск ПП 2 в скважину 3 в обычном режиме. Доставив ПП 2 в интервал установки 29 в случае необходимости закачки в зону осложнений тампонирующих или закрепляющих смесей, для лучшей и качественной их изоляции (например, патент RU № 2463433) закачка производится с учетом их вязкости, чтобы не создать преждевременного перепада давления жидкости на соплах 9 бокового 8 и продольного 11 отверстий. Для установки ПП 2 включают второй буровой насос (на фиг. 2 не показан), расход жидкости при этом увеличивается, в результате чего давление в системе возрастает и происходит разрушение срезных элементов 15 (фиг. 1, 4 и 5), а втулка 12 перемещается вниз до взаимодействия с седлом 10. Пружинное кольцо 16, вставленное в кольцевую выборку 17, при перемещении втулки 12 сжимается и фиксируется во внутренней кольцевой проточке 18 внутри цилиндрической части в нижнем положении втулки 12. В таком положении втулка 12 герметично перекрывает внутреннее пространство ПП 2 от затрубного. Таким образом, происходит повышение давления, что фиксируется манометром на устье скважины (на фиг. 1, 4 и 5 не показан).
Далее насосы останавливают. Затем повышение давления внутри ПП 2 (фиг. 2) производят одним насосом (на фиг. 2 не показан) с минимальной подачей до полного выправления ПП 2 и плотного прижатия его к стенкам скважины 3 с целью предотвращения разрушения ПП 2 от гидравлического ударного давления и снятия внутреннего напряжения металла в стенках ПП 2, образующегося при профилировании труб 26.
Таким образом повышается надёжность работы башмака направляющего 1, улучшается качество изоляционных работ за счет исключения аварийных ситуаций, связанных с недохождением ПП 2 до интервала установки 29 для перекрытия зоны осложнений, в особенности в горизонтальных участках ствола в горизонтальных и БС многоствольных скважин, исключаются дополнительные непроизводительные СПО благодаря использованию башмака направляющего 1 с продольным 11 и боковым 8 отверстиями, позволяющими производить промывку скважины 3 в процессе спуска ПП 2 и выравнивать технологические параметры бурового раствора для предотвращения дальнейшего увеличения зоны осложнений 29, отклонять и направлять ПП 2 по оси ствола скважины 3 при встрече его с уступами, кавернами, провалами и резкими перегибами ствола скважины 3, размывать осыпавшуюся с верхней стенки скважины 3 породу или шламовые пробки струёй жидкости из продольного отверстия 11 и разрушать их механически за счет вращения отклоненной направляющей части 5 с острым концом. Повышается надежность работы башмака направляющего 1 с появлением у него функции управления герметичным закрытием втулки 12 в процессе установки ПП 2 давлением жидкости. Тем самым сокращаются сроки и снижается стоимость строительства горизонтальных, многоствольных и многозабойных скважин.
Далее ПП 2 (фиг. 4) развальцовывают по всей длине, например, компоновкой роликовых или шарошечных развальцевателей (на фиг. 4 не показаны), в которую входит посадочная головка (на фиг. 4 не показана) с ловителем 23, расширяя и плотно прижимая к стенкам скважины 3 цилиндрические участки и калибруя профильные участки труб 26 (например, патент RU № 2439283 и т.п.). При подходе посадочной головки (на фиг. 4 не показана) к башмаку 1 его ловитель 23 входит в зацепление с головкой 22 башмака 1. Одновременно выступы 28 ловителя 23 начинают взаимодействовать с ответными торцевыми выступами 25 башмака 1, вывинчивая башмак 1 по резьбе 27 из ПП 2.
Благодаря пружинному кольцу 30 ловителя 23 посадочной головки (на фиг. 4 не показана) башмак направляющий 1 удерживается на нем до окончания развальцовки ПП 2 и подъема его вместе с установочным оборудованием из скважины 3 на поверхность. Тем самым упрощается технология установки ПП 2 для изоляции зон осложнений 29 при бурении скважин за счет исключения операции по разбуриванию башмака направляющего 1, что позволит сократить время и снизить стоимость строительства горизонтальных, многоствольных и многозабойных скважин.
Предлагаемый башмак направляющий 1 (фиг. 1) для установки ПП 2 в скважине 3 имеет простую в изготовлении и надежную в эксплуатации конструкцию, позволяет расширить его функциональные возможности за счет работы в горизонтальных стволах, а также преодолевать уступы и каверны, производить проработку ствола в процессе спуска ПП до интервала установки, управляемо герметично закрываться и полностью извлекаться из скважины 3, что позволяет исключить дополнительные СПО инструмента для проработки ствола и разбуривания башмака 1, сократить число аварийных ситуаций, что в конечном счёте сократит время и снизит стоимость строительства горизонтальных, многоствольных и многозабойных скважин.