УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАБУРИВАНИЯ БОКОВЫХ СТВОЛОВ ИЗ СКВАЖИНЫ
FACILITY FOR DRILLING SIDE BOREHOLES FROM WELL

Изобретение относится к области бурения газонефтяных скважин, в частности к устройствам для зарезки и бурения боковых стволов из скважины.
Известно устройство для бурения боковых стволов из скважины (пат.RU 2166058, МПК7 Е21В 7/08, оп. 27.04.01 г. Бюл. № 12), включающее направляющий клин, стартовую фрезу, срезной болт, соединяющий фрезу с клином, шланг высокого давления для гидравлической связи фрезы с полостью в нижней части клина, закрепляющего механизма в виде сплошного поршня и двух плашек расположенных в нижней части клина.
Известное устройство не обеспечивает надежного закрепления его в скважине, особенно в открытом стволе, так как площадь плашек нельзя увеличивать до бесконечности, что конструктивно неоправданно, а в сильно искривленных скважинах из-за жесткости конструкции: во-первых, нельзя будет доспустить до нужного интервала, а во-вторых, - даже при полном выдвижении плашек «голова» клина не будет доходить до стенки скважины и будет перекрывать сечение скважины. Из-за того что корпус узла опоры жестко соединен с клином и вся конструкция удерживается в скважине только на двух плашках, все осевые и вибрационные нагрузки от работы фрез будут передаваться им. Плашки, соскабливая металл со стенок обсадной колонны, будут спускаться вниз по поршню и освобождаться, т.к. поршень под действием сил инерции будет оставаться на месте. Вследствие этого произойдет освобождение всего клинового отклонителя и его смещение вниз.
Известна компоновка для забуривания боковых стволов из обсаженных скважин (пат. RU 2291268, МПК 7 Е21В 7/08, оп. 10.01.2007 г. Бюл. № 1), содержащая гидропровод, размещенный между фрезерным устройством и переводником, соединенный с полостью профильной трубы стопорного якоря через поршень-штуцер с обратным клапаном, установленным с возможностью упора в нижний торец клина при подаче рабочего давления.
В этом устройстве поршень-штуцер из-за малой площади не сможет создать достаточного усилия для отклонения клина к стенке скважины, а отсутствие фиксатора не позволит ему удерживать клин в прижатом к внутренней поверхности обсадной колонны положении в процессе строительства бокового ствола.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для забуривания боковых стволов из обсаженной скважины (пат. RU 2263196, МПК 7 Е21В 7/08, оп. 27.10.05 г. Бюл. № 30), включающее отклоняющий клин с закрепляющим механизмом в виде гофрированной трубы, один конец которой заглушен, между которыми размещен переводник, канал для подачи жидкости в полость гофрированной трубы, подвижное соединение между переводником и клином, режущий инструмент. Устройство содержит узел фиксации отклоняющего клина, установленный в переводнике и выполненный в виде поршня со штоком и фиксирующим приспособлением, размещенных в гидроцилиндре. Полость гидроцилиндра сообщена с полостью гофрированной трубы. Верхняя часть штока установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина со стороны его направляющей плоскости. Канал для подачи жидкости выполнен в виде размещенного в отклоняющем клине гидропровода, связывающего полость бурильных труб и полость режущего инструмента, прикрепленного к верхней части отклоняющего клина посредством срезного болта, с полостью гофрированной трубы.
Недостатками устройства являются:
- сложность конструкции, невозможность создания надежного соединения гидропровода через срезной болт и тело клина отклонителя из-за недостаточной толщины клина в верхней части;
- ненадежность работы узла отклонения «головы» клина к стенке скважины и его фиксации в таком положении, т.к. усилие толкателя поршня достаточно для отклонения «головы» клина к стенке скважины, но недостаточно для удержания его в таком положении в течение всего цикла строительства бокового ствола. Соотношение рычагов в треугольнике, где нижний катет - расстояние между центром оси шарнира и точкой опоры штока поршня даже когда угол клина равен максимальному - 2,5° (см. стр.25-27, Самигуллин В.Х., Гилязов P.M. «Результаты эксплуатации комплекса инструмента «КГБ» для забуривания боковых стволов за один рейс». Нефтяное хозяйство. - 2007. - № 4), и полном использовании размеров малого катета, равно 1:23. При меньших углах, когда длина клина увеличивается, это соотношение еще больше. Отклоняющие нагрузки, возникающие при работе фрез, спуске долот и хвостовика, составляют не менее 5,0 кН. Осевая нагрузка на шток при таком соотношении составит 115 КН и выше. Под воздействием такой нагрузки стопорный механизм разрушится, поршень со штоком вернутся в исходное положение, и клин сможет принять любое положение в скважине, вплоть до перекрытия ее сечения. При отсоединении фрезы от клина отклоняющие нагрузки достигают величины от 50 до 70 кН. Они на порядок выше тех, что возникают в процессе работы, и поэтому стопорный механизм разрушится уже на стадии установки отклоняющего клина. Все это повышает аварийность и снижает качество проведения работ по строительству боковых стволов.
Технической задачей настоящего изобретения является:
- упрощение конструкции узла опоры клина и гидропровода;
- повышение усилия отклонения и прижатия «головы» клина к стенке скважины и надежной фиксации его в таком положении в процессе всего цикла строительства бокового ствола, что позволит производить зарезку и бурение бокового ствола в любом направлении по азимуту от основного, снизить аварийность и стоимость строительства боковых стволов.
Техническая задача решается устройством для забуривания боковых стволов из скважины, включающим отклоняющий клин с закрепляющим механизмом в виде гофрированной трубы, один конец которой заглушен, между которыми размещен переводник, подвижное соединение между переводником и клином, узел фиксации отклоняющего клина, установленный в переводнике и выполненный в виде фиксирующего приспособления и поршня со штоком, размещенных в гидроцилиндре, полость которого сообщена с полостью гофрированной трубы, при этом верхняя часть штока установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина со стороны его направляющей плоскости, режущий инструмент, прикрепленный к верхней части отклоняющего клина посредством срезного болта, канал для подачи жидкости, связывающий полость бурильных труб и полость режущего инструмента с полостью гофрированной трубы.
Новым является то, что канал для подачи жидкости выполнен в виде подающей трубки, а нижняя часть клина со стороны его направляющей поверхности выполнена в виде клинового выступа, направленного вниз, со скошенной плоскостью, обращенной противоположно направляющей поверхности клина, при этом верхняя часть штока выполнена в виде бокового среза, выполненного с возможностью взаимодействия со скошенной плоскостью клина, между которыми размещено фиксирующее приспособление.
Новым является также то, что фиксирующее приспособление может быть выполнено в виде клиновых углов скошенной плоскости клина и бокового среза штока, равного или меньшего углу заклинивания.
Новым является также то, что фиксирующее приспособление может быть выполнено в виде насечек на боковом срезе штока.
Новым является также то, что фиксирующее приспособление может быть выполнено в виде насечек на скошенной плоскости клина.
Новым является также то, что фиксирующее приспособление также может быть выполнено в виде насечек на боковом срезе штока и скошенной плоскости клина.
Новым является также то, что насечки на боковом срезе штока или/и на скошенной плоскости клина могут быть выполнены в виде зафиксированного на этих поверхностях более твердого, чем шток и клин, материала.
На фиг.1 показан общий вид устройства с разрезами, на фиг.2 - узел отклонения и фиксации, на фиг.3 - узел фиксации (увеличено).
Устройство состоит из отклоняющего клина 1 (фиг.1), переводника 2, якоря 3, выполненного в виде профильной трубы, один конец которой заглушен, например башмаком. Могут быть применены и другие способы глушения: обжатием, съемной пробкой и т.д. Клин 1 шарнирно соединен с переводником 2 осью 4. Выше клина 1 установлены: компоновка фрезерная, перепускной клапан, трубный фильтр, связанные с бурильными трубами (на фиг.1 не показаны), соединенные механически с клином 1 при помощи срезного полого болта 6 и фрезы 5. Канал 7 для подачи жидкости из бурильных труб в полость якоря 3 выполнен в виде трубки высокого давления. В нижней части клина 1 (фиг.1) выполнен клиновой выступ 8 (фиг.2) со скошенной плоскостью 9 (фиг.3), взаимодействующей с верхней частью штока 10 поршня 11 (фиг.2), выполненной в виде бокового среза 12 (фиг.3). На скошенной плоскости 9 клинового выступа 8 и боковом срезе 12 штока 10 размещено фиксирующее приспособление 13 в виде насечек. Поршень 11 (фиг.2) со штоком 10 размещены в гидроцилиндре 14, который расположен в переводнике 2 и сообщен с полостью профильной трубы 3 (фиг.1).
Устройство работает следующим образом.
Собранную на мостках буровой установки компоновку спускают на бурильных трубах на заданную глубину. При спуске, через перепускной клапан, происходит заполнение полости компоновки и бурильных труб рабочей жидкостью, находящейся в скважине, предотвращая их смятие под действием давления столба жидкости. Трубный фильтр задерживает крупные частицы загрязнений, попадающие в полость бурильных труб через перепускной клапан, предотвращая загрязнение трубки высокого давления 7 (фиг.1). Выполнение канала 7 для подачи жидкости из бурильных труб, через фрезу 5, клин 1 и переводник 2 в профильную трубу 3 в виде трубки высокого давления 7 позволяет уменьшить количество гидравлических соединений, упростить конструкцию устройства и технологию его изготовления. Все это значительно повышает надежность устройства и удешевляет его стоимость. Геофизическими методами ориентируют клин 1 по проектному азимуту и насосом с поверхности земли создают давление рабочей жидкости в полости бурильных труб, компоновке фрезерной, которое через канал 7 передается в гофрированную трубу 3, до полного ее выправления. Одновременно давление рабочей жидкости перемещает поршень 11 (фиг.2) со штоком 10, который, воздействуя боковым срезом 12 (фиг.3) на скошенную плоскость 9 клинового выступа 8, поворачивает клин 1 (фиг.1) вокруг оси 4 и прижимает его «голову» (верхнюю часть клина 1) к стенке скважины (на фиг.1 не показана). Выполнение клинового выступа 8 (фиг.2), направленного вниз, со скошенной плоскостью 9 (фиг.3), обращенной противоположно направляющей поверхности клина и взаимодействующей с верхней частью штока 10 (фиг.2) поршня 11, позволяет увеличить рычаг приложения отклоняющей силы верхней части клина в любом необходимом соотношении, независимо от диаметра скважины или внутреннего диаметра обсадной колонны (на фиг.1 не показана), что обеспечивает прижатие верхней части клина 1 (фиг.1) к стенке скважины с большим усилием и надежной его фиксации в таком положении в течение всего времени зарезки, бурения и крепления бокового ствола. В самом верхнем положении поршень 11 (фиг.2) со штоком 10 заклиниваются между стенкой гироцилиндра 14 и нижним клиновым выступом 8 клина 1(фиг.1). Выполнение штока 10 (фиг.2) с поршнем 11 как один сплошной цилиндр, совмещенный с фиксирующим приспособлением 13 (фиг.3), позволяет упростить конструкцию узла опоры, увеличить его прочность, надежность и уменьшить габаритные размеры. В случаях использования устройства в скважинах большого диаметра, например в кондукторах, возможно выполнение сборной конструкции штока 10 (фиг.2) с поршнем 11 для упрощения технологии и уменьшения стоимости изготовления устройства. Большие диаметральные и длиновые размеры поршня 11 позволяют ему устойчиво работать, оставляя штоку 10 отклоняюще-расклинивающую функцию. Придание штоку 10 формы клина повышает усилие отклонения и прижатия «головы» клина к стенке скважины и позволяет надежно фиксировать клин в таком положении, так как расклинивающее усилие штока 10 во много раз больше осевого усилия, создаваемого жидкостью на поршень 11. При этом отклоняющие усилия, возникающие в клине 1 (фиг.1) в процессе работы, воздействуют на поршень 11 (фиг.2) не по его оси, а перпендикулярно плоскости бокового среза 12 (фиг.3) штока 10, не сдвигая поршень 11 (фиг.2) в исходное положение, а увеличивая усилие их фиксации.
При зарезке и бурении бокового ствола из не обсаженного участка скважины, когда эти операции осуществляют с помощью долота, клин 1 (фиг.1) не испытывает вибрации и истирающего воздействия фрез, поэтому клин 1 и шток 10 (фиг.2) с поршнем 11 можно изготавливать из более дешевой стали, а фиксирующее приспособление 13 (фиг.3) выполнять в виде клиновых углов скошенной плоскости 9 клинового выступа 8 и бокового среза 12 штока 10, равного или меньшего углу заклинивания.
В процессе строительства многозабойных скважин производят вскрытие «окон», выполненных в заводских условиях в стенке обсадной колонны и покрытых стеклопластиковой оболочкой, затем зарезку и бурение боковых стволов. В этих случаях клин 1 (фиг.1) не испытывает истирающего воздействия фрез, но испытывает сильную вибрацию, поэтому фиксирующее приспособление 13 (фиг.3) в таких случаях выполняют в виде насечек на боковом срезе 12 штока 10. Сам шток 10 с поршнем 11 изготавливают из более твердого металла. Насечки под действием большого распирающего усилия впиваются в скошенную плоскость 9 (фиг.3) клинового выступа 8 и надежно фиксируют клин 1 (фиг.1) в прижатом к стенке скважины положении.
В наиболее часто встречающихся случаях, когда «окно» выфрезеровывают в стенке обсадной колонны, клин 1 (фиг.1) испытывает сильную вибрацию и истирающие воздействия от работы фрез, поэтому клин 1 изготавливают из металла с твердостью, равной или больше чем твердость обсадных труб. В этом случае шток 10 (фиг.2) с поршнем 11 выполняют из более мягкого металла без насечек на боковом срезе 12 (фиг.3). Насечки, выполненные на скошенной плоскости 9 (фиг.3) клинового выступа 8 под действием реакции клина 1 (фиг.1) на распирающую силу штока 10 (фиг.2) с поршнем 11, впиваются в боковой срез 12 (фиг.3) штока 10, надежно удерживая поршень 11 в крайнем верхнем положении, препятствуя тем самым его сползанию вниз под действием вибрации.
В особых случаях, когда в зоне «окна» может оказаться дополнительный металл в виде технической колонны, центратора обсадной колонны или муфты ступенчатого цементирования, клин 1 (фиг.1) в процессе фрезерования «окна» испытывает очень сильную вибрацию и истирающее воздействие фрез. В этих случаях для надежного удерживания клина 1 в прижатом к стенке скважины положении фиксирующее приспособление 13 (фиг.3) выполняют в виде насечек на боковом срезе 12 штока 10 и скошенной плоскости 9 нижнего клинового выступа 8.
Для упрощения конструкции узла отклонения и опоры клина и технологии его изготовления возможно выполнение насечек 13 (фиг.3) из зафиксированного на скошенной плоскости 9 клинового выступа 8 или/и бокового среза 12 штока 10 более твердого, чем шток 10 и клин 1 (фиг.1), материала. Технически это выполняется двумя способами:
1) в виде неразъемного соединения (напайка, наваривание, приклеивание и т.п.) насечек на одной из поверхностей 9 (фиг.3) или 12 или на обеих сразу - 9 и 12;
2) в виде разъемного соединения (запрессовки, ввинчивания и т.п., пластин с насечками из металла более твердого, чем металл штока и клина, при помощи винтов, твердосплавных винтов или твердосплавных зубков, играющих роль насечек), насечек на одной из поверхностей 9 или 12 или на обеих сразу - 9 и 12.
После установки и фиксации клина 1 (фиг.1) в прижатом к стенке скважины положении натяжением колонны бурильных труб срезается полый срезной болт 6, освобождая фрезерную компоновку с фрезой 5. Далее скважину промывают, фрезам придают вращение и выполняют фрезерование «окна» и зарезку бокового ствола.
Таким образом, выполнение штока 10 (фиг.2) с поршнем 11 как один сплошной цилиндр, совмещенный с фиксирующим приспособлением 13 (фиг.3), позволяет упростить конструкцию узла опоры, увеличить его прочность, надежность и уменьшить габаритные размеры.
Выполнение канала 7 (фиг.1) для подачи жидкости из бурильных труб, через фрезу 5, клин 1 и переводник 2 в профильную трубу 3 в виде трубки высокого давления позволяет уменьшить количество гидравлических соединений, упростить конструкцию устройства и технологию его изготовления. Все это значительно повышает надежность устройства и удешевляет его стоимость.
Появление в устройстве нового элемента - клинового выступа 8 (фиг.2), направленного вниз, со скошенной плоскостью 9 (фиг.3), обращенной противоположно направляющей поверхности клина 1 (фиг.1) и взаимодействующей с верхней частью штока 10 (фиг.2) поршня 11 не в упор, как в прототипе, а в клиновой распор, и новых связей между указанными элементами повышает усилие отклонения и прижатия «головы» клина к стенке скважины, а фиксирующее приспособление 13 (фиг.3), размещенное на взаимодействующих плоскостях 9 и 12, упрощает конструкцию узла опоры и повышает надежность фиксации клина в прижатом к стенке скважины положении в процессе всего цикла строительства бокового ствола. При этом фиксирующие элементы 13 не испытывают ни изгибающих, ни растягивающих, ни крутящих усилий, а только сжимающие, что позволяет изготавливать их менее металлоемкими, более технологичными, не снижая их надежности.
Предлагаемое устройство за счет упрощения конструкции узла отклонения и опоры клина и гидропровода позволяет снизить себестоимость его изготовления, одновременно повышая надежность и работоспособность. Повышение усилия отклонения и прижатия «головы» клина к стенке скважины и надежной фиксации его в таком положении в процессе всего цикла строительства бокового ствола позволяет производить зарезку и бурение бокового ствола в любом направлении по азимуту от основного, снизить аварийность и стоимость строительства боковых стволов.