Скважинный инструмент для расширения обсадных колонн и способ расширения обсадных колонн с его использованием
BOREHOLE TOOL TO EXTEND CASING AND METHOD FOR CASING EXTENSION WITH ITS USE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к инструменту для бурения и заканчивания скважин, в частности к скважинному инструменту для расширения обсадных колонн. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу расширения обсадных колонн с помощью этого инструмента.
Уровень техники
При проведении операций по бурению скважин на нефтяных и газовых месторождениях обычно требуется установить в скважине обсадную колонну для изоляции горизонтов с целью создания безопасных и благоприятных условий для достижения целевого пласта. По мере увеличения числа обсаживаемых пластов в скважине диаметр последовательно устанавливаемых обсадных труб и диаметр скважины постепенно уменьшаются, а конусность скважины постепенно увеличивается, что не позволяет достичь проектной глубины в глубоких, сверхглубоких и сложных скважинах либо оказывает отрицательное влияние на последующие операции из-за слишком малого диаметра скважины.
Поэтому существует потребность в усовершенствовании конструкции скважин и методики бурения и заканчивания с целью обеспечения постоянства диаметра скважины и внутреннего диаметра обсадной колонны при заканчивании и, следовательно, бурения более глубоких скважин.
Раскрытие изобретения
Для решения вышеуказанных технических проблем, присущих известному уровню техники, в настоящем изобретении предлагается скважинный инструмент для расширения обсадных колонн, который может поддерживать постоянство диаметра скважины в ходе буровых операций и поэтому применим, в частности, для строительства глубоких, сверхглубоких и сложных скважин. Кроме того, в настоящем изобретении предлагается способ расширения обсадных колонн с помощью этого инструмента.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагаемый скважинный инструмент для расширения обсадных колонн содержит расширяющий модуль для расширения обсадной колонны и приводной модуль для приведения в движение расширяющего модуля с целью выполнения расширения.
Приводной модуль содержит центральную трубу, промежуточную трубу и наружную трубу, последовательно расположенные в направлении от центра к периферии модуля, причем нижний по потоку концевой участок центральной трубы связан с бурильной трубой и может быть закрыт, центральная труба снабжена отверстием для прохождения жидкости, промежуточная труба, неподвижно соединенная с бурильной колонной, содержит группу верхних по потоку и нижних по потоку отрезков, неподвижно соединенных друг с другом посредством первого соединительного элемента, причем нижний по потоку отрезок промежуточной трубы снабжен каналом для впуска жидкости, промежуточная труба соединена, с возможностью скольжения, с центральной трубой посредством ограничителя, а наружная труба, соединенная с промежуточной трубой посредством четвертого срезного штифта, содержит группу верхних по потоку и нижних по потоку отрезков, неподвижно соединенных друг с другом посредством второго соединительного элемента.
Первый и второй соединительные элементы расположены по потоку соответственно выше и ниже канала для впуска жидкости и входят в контакт с возможностью скольжения и с образованием уплотнения соответственно с наружной трубой и с промежуточной трубой, так что первый соединительный элемент, второй соединительный элемент, нижний по потоку отрезок промежуточной трубы и верхний по потоку отрезок наружной трубы совместно образуют гидравлическую камеру.
Расширяющий модуль содержит некоторое количество лепестков расширяющего конуса, установленных подвижным образом на нижнем по потоку концевом участке нижнего по потоку отрезка наружной трубы, и конусную опору, установленную неподвижно и ниже по потоку, чем лепестки расширяющего конуса.
В начальном положении отверстие для прохождения жидкости не связано с каналом для впуска жидкости. Для расширения обсадной колонны центральная труба с закрытым нижним по потоку концевым участком перемещается, направляемая ограничителем, в направлении потока под давлением заполняющей ее жидкости, так что отверстие для прохождения жидкости соединяется с каналом для впуска жидкости, вследствие чего жидкость поступает в гидравлическую камеру, что приводит к срезанию четвертого срезного штифта и вынуждает наружную трубу перемещаться в направлении потока, что, в свою очередь, вынуждает перемещаться в направлении потока лепестки расширяющего конуса, которые, войдя в контакт с конусной опорой, раздвигаются относительно осевого направления, в результате чего происходит расширение обсадной колонны.
Согласно настоящему изобретению расширение обсадной колонны в скважине может осуществляться под действием гидравлического давления, прикладываемого к скважинному инструменту для расширения обсадных колонн с земной поверхности и обеспечивающего проведение операций.
В одном варианте осуществления ограничитель содержит ограничительный цилиндр, расположенный с возможностью скольжения между центральной трубой и промежуточной трубой, причем ограничительный цилиндр соединен с промежуточной трубой посредством первого срезного штифта и с центральной трубой посредством второго срезного штифта, расположенного по потоку ниже первого срезного штифта, причем на внутренней стенке промежуточной трубы предусмотрен первый ограничительный уступ, выдающийся радиально внутрь, а на наружной стенке ограничительного цилиндра предусмотрено первое ограничительное кольцо, входящее в зацепление с первым ограничительным уступом. В процессе расширения обсадной колонны происходит срезание первого срезного штифта под давлением поступающей жидкости, в результате чего центральная труба и ограничительный цилиндр перемещаются в направлении потока как единое целое, пока первое ограничительное кольцо не войдет в зацепление с первым ограничительным уступом, причем в этот момент отверстие для прохождения жидкости оказывается связанным с каналом для впуска жидкости. В одном из предпочтительных вариантов осуществления внутренняя стенка ограничительного цилиндра снабжена вторым ограничительным уступом, который выдается радиально внутрь и может входить в зацепление со вторым ограничительным кольцом, предусмотренным в центральной трубе. При раздвигании лепестков расширяющего конуса происходит срезание второго срезного штифта под действием возрастающего гидравлического давления, в результате чего центральная труба перемещается в направлении потока, пока второе ограничительное кольцо не войдет в зацепление со вторым ограничительным уступом. В этот момент отверстие для прохождения жидкости уже не связано с каналом для впуска жидкости. Гидравлическая камера используется только для приведения наружной трубы в движение в направлении потока, обеспечивающее раздвигание лепестков расширяющего конуса, и может быть закрыта, когда эти лепестки раздвигаются через посредство ограничителя, предусмотренного в данной конструкции, так что гидравлическая камера уже не вызывает воздействия сил на первый и второй соединительные элементы, что является благоприятным фактором для увеличения срока службы инструмента. В одном варианте осуществления конусная опора включает верхнюю по потоку опорную часть, служащую для обеспечения раздвигания лепестков расширяющего конуса, нижнюю по потоку соединительную часть и переходную часть, расположенную между опорной частью и соединительной частью. В предпочтительном варианте опорная часть выполняется в форме конуса с малой площадью верхней по потоку торцевой поверхности. Конусная опора такой формы позволяет лепесткам расширяющего конуса благоприятным образом достичь ее верхней части, то есть опереться на конусную опору, чем обеспечивается эффективное раздвигание этих лепестков.
В одном варианте осуществления нижний по потоку концевой участок центральной трубы соединен со вспомогательным средством для закрытия последней, содержащим резиновую пробку, соединенную с нижним по потоку концевым участком центральной трубы посредством третьего срезного штифта, и изоляционную трубу резиновой пробки, неподвижно соединенную с соединительной частью конусной опоры. В процессе расширения обсадной колонны закрывают центральную трубу, сбросив в нее резиновую пробку для бурильной колонны, способную автоматически войти в зацепление с резиновой пробкой вспомогательного средства.
В одном варианте осуществления в переходной части конусной опоры предусмотрен проход, а изоляционная труба резиновой пробки соединяется с возможностью уплотнения с цементировочным приспособлением, соединенным с возможностью уплотнения с нижним по потоку концевым участком обсадной колонны, так что изоляционная труба резиновой пробки, цементировочное приспособление, обсадная колонна и конусная опора образуют первую герметичную расширительную камеру. В предпочтительном варианте в изоляционной трубе резиновой пробки предусмотрено седло для последней. В процессе расширения обсадной колонны, когда лепестки расширяющего конуса раздвигаются и срезается второй срезной штифт, с ростом гидравлического давления происходит срезание третьего срезного штифта, так что эта резиновая пробка перемещается вместе с резиновой пробкой для бурильной колонны в направлении потока, уплотняя седло, а жидкость перетекает обратно в камеру конусной опоры, а затем через проход в первую герметичную расширительную камеру. В описанной выше конструкции при расширении обсадной колонны существенно снижено трение между внутренней стенкой последней и лепестками расширяющего конуса, что создает благоприятную возможность для подъема и вытягивания бурильной колонны из скважины с целью расширения всей обсадной колонны. В одном из предпочтительных вариантов в начальном положении проход перекрывается, чем предотвращается попадание внутрь конусной опоры загрязняющих веществ снаружи, оказывающих отрицательное воздействие на процесс расширения.
В одном варианте осуществления нижний по потоку участок прохода в переходной части конусной опоры определяется кольцеобразной платформой, которая может соединяться с возможностью уплотнения с обсадной колонной. В данной конструкции при открывании прохода обсадная колонна и конусная опора образуют небольшую камеру с временным уплотнением, которая может заполняться жидкостью, так что происходит смазывание лепестков расширяющего конуса и обсадной колонны и трение между ними уменьшается. Поскольку камера с временным уплотнением имеет сравнительно небольшой объем, то она быстро заполняется жидкостью, чем обеспечивается сокращение периода времени от заполнения жидкостью до расширения и, следовательно, повышение эффективности работы. Кроме того, камера с временным уплотнением, определяемая кольцеобразной платформой, может препятствовать обратному перетоку цементного раствора и попаданию его на поверхность контакта лепестков расширяющего конуса и обсадной колонны до расширения последней, что создало бы трудности для реализации последующего процесса расширения.
В одном варианте осуществления предусмотрен, кроме того, полый фиксирующий конус, неподвижно соединенный с нижним по потоку концевым участком наружной трубы, причем лепестки расширяющего конуса подвижным образом соединены с нижним по потоку участком фиксирующего конуса. Фиксирующий конус предназначен для обеспечения сборки лепестков расширяющего конуса. В одном из предпочтительных вариантов осуществления фиксирующий конус выполнен в виде полого усеченного конуса, содержащего небольшой участок, обращенный против потока, а наклон боковой поверхности фиксирующего конуса меньше наклона наружной поверхности лепестков расширяющего конуса. В процессе расширения обсадной колонны данная конструкция позволяет сначала слегка расширить последнюю посредством фиксирующего конуса, а затем выполнить расширение до целевого диаметра посредством лепестков расширяющего конуса, чем обеспечивается успешное проведение этих операций.
В одном варианте осуществления нижний по потоку участок нижнего по потоку отрезка промежуточной трубы снабжен неподвижно крепящимся замком, входящим с наружной трубой в контакт с возможностью скольжения и уплотнения, причем между замком и наружной трубой вставлен участок выступа малого наружного диаметра, выполненный на верхнем по потоку участке фиксирующего конуса для неподвижного соединения с наружной трубой, нижний по потоку конец которой упирается в поверхность на одном из участков выступа. Вхождение в зацепление выступа фиксирующего конуса и наружной трубы обеспечивает перемещение фиксирующего конуса и наружной трубы как единого целого, что, в свою очередь, дает возможность наружной трубе привести в движение лепестки расширяющего конуса. В одном из предпочтительных вариантов осуществления замок также снабжен стопорным приспособлением, содержащим выемку, простирающуюся радиально наружу в замке, и стопор, связанный с выемкой через упругий элемент. В начальном положении выступ давит на стопор. По мере расширения обсадной колонны стопор выдвигается радиально наружу под действием упругого элемента, вызванного перемещением выступа в направлении потока, и давит на верхний по потоку концевой участок выступа. Включение в конструкцию такого замка позволяет эффективно предотвратить выход лепестков расширяющего конуса из зацепления с конусной опорой в ходе операций по расширению обсадной колонны, нормальное проведение которых в противном случае было бы невозможным.
В одном варианте осуществления промежуточная труба содержит ряд отрезков, неподвижно соединенных друг с другом посредством первых соединительных элементов, а наружная труба содержит ряд отрезков, неподвижно соединенных друг с другом посредством вторых соединительных элементов, при этом и первые и вторые соединительные элементы расположены выше по потоку, чем замок. В каждом и во всех отрезках промежуточной трубы предусмотрен один канал для впуска жидкости. Рядом с каждым каналом для впуска жидкости и выше его по потоку расположен первый соединительный элемент, а ниже каждого такого канала по потоку и рядом с ним расположен второй соединительный элемент. Между каждыми и всеми первыми и вторыми соединительными элементами предусмотрен некоторый интервал. В одном из предпочтительных вариантов осуществления первые и вторые соединительные элементы расположены попеременно. Такая конструкция скважинного инструмента для расширения обсадных колонн может создавать большие тяговые усилия благодаря наличию ряда вторых соединительных элементов, способных воспринимать гидравлическое давление, и, следовательно, обеспечивать успешное проведение операций по расширению.
Второй аспект настоящего изобретения относится к способу расширения обсадных колонн с помощью предназначенного для этого и описанного выше скважинного инструмента, включающему следующие стадии:
I: бурят скважину с открытым стволом и спускают в скважину обсадную колонну первого уровня для выполнения первого цементирования скважины, причем нижнюю по потоку часть обсадной колонны первого уровня предварительно расширяют, а ее нижний по потоку концевой участок уплотняют;
II: спускают в скважину буровой инструмент для разбуривания обсадной колонны первого уровня и продолжения бурения, причем боковая стенка разбуриваемой обсадной колонны первого уровня образует участок перекрытия с трубами, устанавливаемыми ниже нее по потоку;
III: спускают в скважину обсадную колонну второго уровня и расширитель, причем на нижнем по потоку концевом участке обсадной колонны второго уровня предусмотрены с возможностью уплотнения цементировочные приспособления, нижний по потоку участок обсадной колонны второго уровня содержит предварительно расширенную область обеспечения расширения, выше которой по потоку расположена зона перекрытия, верхний по потоку участок которой расположен в пределах участка перекрытия обсадной колонны первого уровня, а расширитель выполнен таким образом, что его фиксирующий конус расположен в области обеспечения расширения;
IV: выполняют цементирование скважины и спускают в нее резиновую пробку для бурильной колонны, причем резиновая пробка для бурильной колонны входит в зацепление с резиновой пробкой расширителя, уплотняя нижний по потоку концевой участок центральной трубы;
V: заполняют расширитель жидкостью, оказывающей давление таким образом, что происходит расширение обсадной колонны второго уровня под действием этого расширителя, и поднимают расширитель, увеличивая наружный диаметр обсадной колонны второго уровня до значения, равного значению внутреннего диаметра обсадной колонны первого уровня, чем обеспечивается возможность неподвижного соединения обсадной колонны второго уровня с обсадной колонной первого уровня;
VI: повторяют операции II-V и соединяют верхний по потоку участок обсадной колонны, расположенной ниже по потоку, с участком перекрытия обсадной колонны, расположенной выше по потоку, завершая тем самым цикл многоуровневого расширения обсадных колонн с применением технологии монодиаметра.
С помощью способа, предлагаемого в настоящем изобретении, можно реализовать расширение обсадных колонн до постоянного диаметра (монодиаметра), то есть уменьшения внутреннего диаметра обсадных колонн не происходит, так что бурение скважины может осуществляться без потери диаметра (то есть при монодиаметре). Кроме того, поскольку диаметр скважины поддерживается постоянным, то на всем протяжении бурения можно использовать бурильные инструменты с одними и теми же техническими характеристиками, что снижает затраты на бурение и заканчивание скважин и повышает эффективность этих операций.
В одном варианте осуществления на стадии III используется фиксирующий конус расширителя, выполненный таким образом, что его наружный диаметр меньше внутреннего диаметра области обеспечения расширения, но больше внутреннего диаметра обсадной колонны второго уровня, расположенной выше по потоку, чем область обеспечения расширения, так что до начала операций по расширению можно удобным и благоприятным образом ввести расширитель в контакт с обсадной колонной второго уровня.
В одном варианте осуществления после завершения расширения обсадных колонн всех уровней на стадии VI удаляют нерасширенный участок в нижней по потоку части обсадной колонны, благодаря чему можно успешно ввести в скважину обсадную колонну следующего уровня.
В одном варианте осуществления на наружной стороне обсадной колонны второго уровня в зоне перекрытия предусматривают заполнитель с возможностью сжатия для отделения цемента. В одном варианте осуществления этот заполнитель представляет собой, в частности, воздух с такой высокой возможностью сжатия, что после цементирования скважины образуется рабочее пространство для расширения и исключается проблема невозможности расширения зон перекрытия обсадных колонн вследствие ограничений, обусловленных расположенным снаружи цементом, благодаря чему обеспечивается проведение операций по расширению после цементирования скважины.
В одном варианте осуществления для обеспечения герметичности соединения обсадных колонн в месте их перекрытия предусмотрен дополнительный уплотнительный элемент, устанавливаемый между этими перекрывающимися обсадными колоннами.
В контексте настоящего изобретения термин "верхний/выше по потоку" относится к направлению в сторону земной поверхности, а термин "нижний/ниже по потоку" относится к направлению, противоположному первому. Термин "начальное положение" относится к положению до проведения операций расширения посредством скважинного инструмента для расширения обсадных колонн.
Настоящее изобретение обладает следующими преимуществами по сравнению с известным уровнем техники. Прежде всего с помощью скважинного инструмента для расширения обсадных колонн, предлагаемого в настоящем изобретении, обеспечивается многоуровневое расширение обсадных колонн под действием гидравлического давления, так что установку обсадных колонн можно осуществлять без уменьшения внутреннего диаметра (то есть можно реализовать бурение скважин с применением технологии монодиаметра). Расширение обсадных колонн в скважине можно производить под действием гидравлического давления, прикладываемого к скважинному инструменту для расширения обсадных колонн с земной поверхности, что облегчает проведение этих операций. На наружной стороне обсадной колонны второго уровня в зоне перекрытия предусматривают заполнитель, включающий материалы с возможностью сжатия, благодаря чему после цементирования скважины образуется рабочее пространство для расширения и исключается проблема невозможности расширения зон перекрытия обсадных колонн вследствие ограничений, обусловленных расположенным снаружи цементом. Кроме того, поскольку диаметр скважины поддерживается постоянным, то на всем протяжении бурения можно использовать бурильные инструменты с одними и теми же техническими характеристиками, что снижает затраты на бурение и заканчивание скважин и повышает эффективность этих операций.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение подробно описано ниже на различных примерах со ссылками на чертежи, на которых показано:
фиг.1 - схематическое изображение, иллюстрирующее первый вариант осуществления приводного модуля скважинного инструмента для расширения обсадных колонн согласно настоящему изобретению,
фиг.2 - полное изображение узла А, показанного на фиг.1,
фиг.3 - увеличенное изображение ограничителя центральной трубы скважинного инструмента для расширения обсадных колонн согласно настоящему изобретению,
фиг.4 - схематическое изображение, иллюстрирующее второй вариант осуществления приводного модуля скважинного инструмента для расширения обсадных колонн согласно настоящему изобретению,
фиг.5 - схематическое изображение в рабочем положении лепестков расширяющего конуса скважинного инструмента для расширения обсадных колонн согласно настоящему изобретению,
фиг.6 - схематическое изображение конусной опоры,
фиг.7 - другое схематическое изображение конусной опоры,
фиг.8 - увеличенное изображение стопорного приспособления согласно настоящему изобретению,
фиг.9-15 - схематическое изображение этапов расширения обсадной колонны посредством скважинного инструмента для расширения обсадных колонн согласно настоящему изобретению.
На представленных чертежах схожие компоненты обозначены схожими ссылочными номерами. Масштаб чертежей не соответствует фактическим размерам.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
В представленном ниже описании настоящее изобретение иллюстрируется посредством ссылок на чертежи.
На фиг.1 представлено схематическое изображение скважинного инструмента 10 для расширения обсадных колонн (ниже именуемого расширителем 10) в первом варианте осуществления согласно настоящему изобретению. Как показано на фиг.1 и подробно описано ниже, расширитель 10 содержит расширяющий модуль для расширения обсадной колонны 11 и приводной модуль для приведения в движение расширяющего модуля.
Приводной модуль содержит центральную трубу 101, промежуточную трубу 102 и наружную трубу 103, последовательно расположенные в направлении от центра к периферии модуля. Промежуточная труба 102 неподвижно соединена с бурильной колонной (не показана на чертеже), связанной с центральной трубой 101 и представляющей собой полую трубу, обеспечивающую закачку жидкости в расширитель 10. Центральная труба 101, содержащая нижний по потоку концевой участок с возможностью закрытия, имеет в своей боковой стенке отверстие 104 для прохождения жидкости. Нижний по потоку концевой участок центральной трубы 101 простирается от промежуточной трубы 102, тогда как нижний по потоку концевой участок промежуточной трубы 102 простирается от наружной трубы 103, а промежуточная труба 102 соединена с наружной трубой 103 посредством четвертого срезного штифта 113 (см. фиг.3). Центральная труба 101 и промежуточная труба 102 соединены посредством ограничителя (фиг.3).
Промежуточная труба 102 содержит верхний по потоку отрезок 105 и нижний по потоку отрезок 106, неподвижно соединенные друг с другом посредством первого соединительного элемента 107. Нижний по потоку отрезок 106 промежуточной трубы снабжен каналом 117 для впуска жидкости. Наружная труба 103 содержит верхний по потоку отрезок 109 и нижний по потоку отрезок 110, соединенные друг с другом посредством второго соединительного элемента 108. Кроме того, первый соединительный элемент 107 входит в контакт с возможностью скольжения и с образованием уплотнения с наружной трубой 103, а второй соединительный элемент 108 входит в контакт с возможностью скольжения и с образованием уплотнения с промежуточной трубой 102. Как показано на фиг.1, на поверхности контакта первого соединительного элемента 107 и наружной трубы 103 предусмотрен первый уплотнительный элемент 114, тогда как на поверхности контакта второго соединительного элемента 108 и промежуточной трубы 102 предусмотрен второй уплотнительный элемент 115. Для реализации контакта с возможностью уплотнения в качестве этих уплотнительных элементов могут быть выбраны уплотнительные кольца круглого сечения. Первый соединительный элемент 107 и второй соединительный элемент 108 расположены по потоку соответственно выше и ниже канала 117 для впуска жидкости, так что первый соединительный элемент 107, второй соединительный элемент 108, нижний по потоку отрезок 106 промежуточной трубы и верхний по потоку отрезок 109 наружной трубы образуют гидравлическую камеру 111.
Как также показано на фиг.1, расширяющий модуль содержит некоторое количество лепестков 201 расширяющего конуса, установленных подвижным образом на нижнем по потоку концевом участке нижнего по потоку отрезка наружной трубы 110, и конусную опору 202, установленную неподвижно и ниже по потоку, чем лепестки 201. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, центральная труба 101 простирается за нижний по потоку конец конусной опоры 202. Промежуточная труба 102 простирается сквозь лепестки 201 расширяющего конуса, а конусная опора 202 неподвижно соединена с нижним по потоку участком промежуточной трубы 102. Когда лепестки 201 расширяющего конуса перемещаются в направлении потока и входят в контакт с конусной опорой 202, они раздвигаются относительно осевого направления подобно раскрыванию зонтика и расширяют обсадную колонну 11. На фиг.1 показаны лепестки 201 в раздвинутом положении. Конструкция конусной опоры 202 подробно описывается ниже.
Как показано на фиг.3, ограничитель содержит ограничительный цилиндр 401, расположенный между центральной трубой 101 и промежуточной трубой 102. Ограничительный цилиндр 401 соединен с промежуточной трубой 102 посредством первого срезного штифта 402 и с центральной трубой 101 посредством второго срезного штифта 403, расположенного по потоку ниже первого срезного штифта 402. На внутренней стенке промежуточной трубы 102 предусмотрен первый ограничительный уступ 404, выдающийся радиально внутрь, а на наружной стенке ограничительного цилиндра 401 предусмотрено первое ограничительное кольцо 405, входящее в зацепление с первым ограничительным уступом 404. В варианте осуществления, показанном на фиг.3, первое ограничительное кольцо 405 образовано выступающим радиально наружу верхним по потоку концевым участком ограничительного цилиндра 401. Следовательно, в процессе расширения обсадной колонны, когда происходит срезание первого срезного штифта 402, центральная труба 101 и ограничительный цилиндр 401, соединенные вторым срезным штифтом 403, будут перемещаться в направлении потока как единое целое, пока первое ограничительное кольцо 405 не войдет в зацепление с первым ограничительным уступом 404. В этот момент отверстие 104 для прохождения жидкости оказывается связанным с каналом 117 для впуска жидкости, так что жидкость поступает в гидравлическую камеру 111, что приводит к срезанию четвертого срезного штифта 113 и вынуждает наружную трубу 103 перемещаться в направлении потока.
Ограничительный цилиндр 401 снабжен вторым ограничительным уступом, который в варианте осуществления, показанном на фиг.3, может представлять собой внутреннюю кромку первого ограничительного кольца 405. Центральная труба 101 снабжена вторым ограничительным кольцом 407, входящим в зацепление со вторым ограничительным уступом. В варианте осуществления, показанном на фиг.3, второе ограничительное кольцо 407 фактически образовано выступающим радиально наружу верхним по потоку концевым участком центральной трубы 101. При раздвигании лепестков 201 расширяющего конуса гидравлическое давление продолжает расти, что приводит к срезанию второго срезного штифта 403, в результате чего центральная труба 101 перемещается в направлении потока, пока второе ограничительное кольцо 407 не войдет в зацепление со вторым ограничительным уступом. В этот момент отверстие 104 для прохождения жидкости уже не связано с каналом 117 для впуска жидкости, так что жидкость, первоначально находившаяся внутри гидравлической камеры 111, оказывается герметически изолированной в последней. После вхождения первого ограничительного кольца 405 в зацепление с первым ограничительным уступом 404, а второго ограничительного уступа со вторым ограничительным кольцом 407 центральная труба 101 и промежуточная труба 102 будут перемещаться как единое целое вместо того чтобы разъединиться.
После сборки расширителя 10 и до его раздвигания наружная труба 103 является неподвижно соединенной с промежуточной трубой 102 посредством четвертого срезного штифта 113. Центральная труба 101 соединяется с промежуточной трубой 102 посредством ограничителя, а отверстие 104 для прохождения жидкости располагается по потоку выше канала 117 для впуска жидкости и не находится в связи с последним.
Для расширения обсадной колонны 11 сначала закрывают нижний по потоку концевой участок центральной трубы 101. Затем заполняют центральную трубу жидкостью, например промывочной жидкостью, через полую бурильную колонну. Жидкость сжимается вплоть до срезания первого срезного штифта 402, что приводит к совместному перемещению в направлении потока центральной трубы 101 и ограничительного цилиндра 401, пока первое ограничительное кольцо 405 не войдет в зацепление с первым ограничительным уступом 404, в результате чего отверстие 104 для прохождения жидкости окажется связанным с каналом 117 для впуска жидкости. Благодаря этому жидкость будет поступать из центральной трубы 101 через отверстие 104 и канал 117 в гидравлическую камеру 111. Поскольку поверхность напряжений, находящаяся ниже гидравлической камеры 111 по потоку, определяется соединительным элементом 108, соединенным с наружной трубой 103, а промежуточная труба 102, соединенная с бурильной колонной, является зафиксированной и неподвижной, то под действием возникшего ниже по потоку гидравлического давления происходит срезание четвертого срезного штифта 113, в результате чего наружная труба 103 перемещается в направлении потока и вынуждает перемещаться в том же направлении лепестки 201 расширяющего конуса. После того как лепестки 201 окажутся между конусной опорой 202 и обсадной колонной 11, а конусная опора 202 между лепестками 201 и промежуточной трубой 102, происходит радиальное раздвигание (то есть раскрывание подобно зонтику) лепестков 201, результатом чего является расширение обсадной колонны 11, как показано на фиг.1. При подъеме бурильной колонны центральная труба 101, промежуточная труба 102 и наружная труба 103 будут подниматься как единое целое, ведомые промежуточной трубой 102 вследствие неподвижного соединения последней с конусной опорой 202, в процессе чего лепестки 201 расширяющего конуса остаются в радиально раздвинутом положении, благодаря чему достигается расширение всей обсадной колонны 11.
Для обеспечения удобного закрытия центральной трубы 101 на нижнем по потоку концевом участке последней предусмотрено вспомогательное средство, показанное на фиг.1 и 2. Вспомогательное средство содержит резиновую пробку 301, соединенную с нижним по потоку концевым участком центральной трубы 101 посредством третьего срезного штифта 304, изоляционную трубу 302 резиновой пробки, неподвижно соединенную с нижним по потоку концевым участком конусной опоры 202, причем резиновая пробка 301 расположена внутри одной из областей изоляционной трубы 302. В изоляционной трубе 302 предусмотрено седло 303 резиновой пробки. Когда резиновая пробка отделена от центральной трубы 101, ее перемещают в направлении потока для закрытия седла 303. До начала реализации расширяющей конструкции сначала сбрасывают в центральную трубу 101 резиновую пробку 305 для бурильной колонны (как показано на фиг.2), причем пробка 305 автоматически входит в зацепление с резиновой пробкой 301, закрывая нижний по потоку концевой участок центральной трубы 101.
Следует иметь в виду, что, как показано на фиг.4, промежуточная труба 102 приводного модуля расширителя 10 может содержать ряд отрезков 106', 106ʺ, неподвижно соединенных друг с другом посредством первых соединительных элементов 107', 107ʺ, в то время как наружная труба 103 может содержать ряд отрезков 110', 110ʺ, неподвижно соединенных друг с другом посредством вторых соединительных элементов 108', 108ʺ. В каждом отрезке из упомянутого ряда отрезков промежуточной трубы предусмотрен канал 117', 117ʺ для впуска жидкости, а в центральной трубе 101 предусмотрен ряд отверстий 104', 104ʺ для прохождения жидкости, так что приводной модуль содержит ряд гидравлических камер 111', 111ʺ (как показано на фиг.4), которые могут создавать большее приводное усилие, обеспечивая эффективное расширение обсадной колонны. В отношении варианта осуществления, показанного на фиг.4, следует также отметить, что гидравлические камеры из упомянутого ряда расположены по существу раздельно, то есть между двумя соседними гидравлическими камерами всегда существует пустая полость 112, так что в процессе расширения не происходит уравновешивания приводного усилия, оказываемого на второй соединительный элемент 108. В варианте осуществления, представленном на фиг.4, расширяющий модуль, ограничитель и вспомогательное средство идентичны соответствующим компонентам, описанным выше, поэтому в целях упрощения изложения их повторное описание не приводится.
Как показано на фиг.6, конусная опора 202 включает три части: верхнюю по потоку опорную часть 601, нижнюю по потоку соединительную часть 602 и переходную часть 603, расположенную между опорной частью 601 и соединительной частью 602. Опорная часть служит для обеспечения раздвигания лепестков 201 расширяющего конуса в процессе расширения обсадной колонны. В предпочтительном варианте опорная часть 601 выполняется в форме конуса с малой площадью верхней по потоку торцевой поверхности, так что лепестки 201 расширяющего конуса могут благоприятным образом достичь конусной опоры 202, чем обеспечивается их эффективное раздвигание. Кроме того, конусообразная опорная часть 601 представляет собой отдельный конструктивный элемент, закрепленный на промежуточной трубе 102.
Для обеспечения подъема и вытягивания расширителя 10 вверх из скважины в переходной части 603 конусной опоры 202 предусмотрен проход 204 (фиг.6). Изоляционная труба 302 резиновой пробки соединяется с возможностью уплотнения с цементировочным приспособлением 12, соединенным с возможностью уплотнения с нижней по потоку частью обсадной колонны 11, так что изоляционная труба 302 резиновой пробки, цементировочное приспособление 12, обсадная колонна 11 и конусная опора 202 образуют первую герметичную расширительную камеру 306.
В начальном положении проход 204 перекрывается листовым элементом (не показан на чертеже), выполненным, например, из тонколистового металла. В процессе расширения обсадной колонны 11, когда лепестки 201 расширяющего конуса раздвигаются и продолжают оказывать давление на жидкость, происходит срезание третьего срезного штифта 304, так что резиновая пробка 301 перемещается вместе с резиновой пробкой 305 для бурильной колонны в направлении потока, уплотняя седло 303. Жидкость перетекает обратно в камеру конусной опоры 202 через промежуточное пространство между центральной трубой 101 и промежуточной трубой 202, а затем в первую герметичную расширительную камеру 306 через проход 204. Когда первая герметичная расширительная камера 306 заполнена жидкостью, происходит смазывание контактной поверхности между лепестками 201 расширяющего конуса и обсадной колонной 11, благодаря чему уменьшается трение между лепестками 201 и обсадной колонной 11, что создает благоприятную возможность для подъема и вытягивания расширителя 10 из скважины.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления, показанном на фиг.7, нижнюю по потоку часть прохода 204 в круглой боковой стенке конусной опоры 202 ограничивает кольцеобразная платформа 205. В начальном положении кольцеобразная платформа 205 соединяется с возможностью уплотнения с обсадной колонной 11, что обеспечивается третьим уплотнительным элементом 206, предусмотренным на боковой поверхности кольцеобразной платформы 205. Таким образом, обсадная колонна 11 и конусная опора 202 вмещают небольшую камеру 207 с временным уплотнением. По мере расширения обсадной колонны 11 в эту камеру 207 будет поступать обратный поток жидкости, прошедшей через проход 204. Поскольку объем камеры 207 меньше объема первой герметичной расширительной камеры 306, то жидкость заполнит камеру 207 за очень короткое время, чем обеспечивается смазывание контактной поверхности между лепестками 201 расширяющего конуса и обсадной колонной 11, сокращение периода времени от заполнения жидкостью до подъема и вытягивания расширителя 10 из скважины и, следовательно, повышение эффективности работы. Кроме того, камера 207 с временным уплотнением, образуемая благодаря наличию кольцеобразной платформы 205, может препятствовать поступлению жидкости (например, промывочной жидкости, цементного раствора и т.д.) в скважину и попаданию загрязняющих веществ в камеру 207 до проведения расширения обсадной колонны, что создало бы трудности для реализации последнего. В процессе подъема и вытягивания расширителя 10 из скважины, когда кольцеобразная платформа 205 входит в расширенную обсадную колонну, камера 207 с временным уплотнением образует единое целое с первой герметичной расширительной камерой 306, так что жидкость будет также заполнять камеру 306 и расширение обсадной колонны продолжится.
Для обеспечения сборки лепестков 201 расширяющего конуса, как показано на фиг.5, эти лепестки 201 соединяются с наружной трубой 103 посредством фиксирующего конуса 208. Фиксирующий конус может быть выполнен в виде полого усеченного конуса, соединяемого с нижним по потоку участком промежуточной трубы 102. Фиксирующий конус 208 выполнен таким образом, что его малый торец обращен в направлении против потока и соединен с нижним по потоку концевым участком наружной трубы 103, а большой торец обращен в направлении потока и соединен подвижным образом с лепестками 201 расширяющего конуса. В одном из предпочтительных вариантов осуществления наклон боковой поверхности фиксирующего конуса 208 меньше наклона наружной поверхности лепестков 201 расширяющего конуса. В контексте настоящего описания термин "наклон" означает угол, образованный одним из элементов фиксирующего конуса 208 и центральной осью обсадной колонны 11, либо угол, образованный линией контура расширяющей поверхности лепестков 201 расширяющего конуса (фиг.5) и центральной осью обсадной колонны 11. Идея такого наклона хорошо известна специалистам в данной области. Кроме того, наибольший диаметр фиксирующего конуса 208 меньше наибольшего диаметра лепестков 201 расширяющего конуса в раздвинутом положении. Преимущества конструкции фиксирующего конуса 208 описаны ниже.
Как показано на фиг.8, для обеспечения приведения наружной трубой 103 в движение фиксирующего конуса 208 нижний по потоку участок нижнего по потоку отрезка промежуточной трубы 102 снабжен неподвижно крепящимся замком 801, входящим с наружной трубой 103 в контакт с возможностью скольжения и уплотнения. Кроме того, между замком 801 и наружной трубой 103 вставлен выступ 209 малого наружного диаметра, выполненный на верхнем по потоку участке фиксирующего конуса 208 для неподвижного соединения с наружной трубой 103, нижний по потоку конец которой упирается в поверхность 210 у основания выступа 209. Таким образом, для раздвигания лепестков 201 расширяющего конуса фиксирующий конус 208 перемещается в направлении потока, вынуждая перемещаться в этом же направлении лепестки 201, в результате чего происходит их раздвигание. При подъеме бурильной колонны неподвижное соединение наружной трубы 103 и фиксирующего конуса 208 приводит к перемещению лепестков 201 расширяющего конуса в направлении против потока, при этом конусная опора 202 перемещается в том же направлении и с той же скоростью, в результате чего лепестки 201 не выходят из зацепления с конусной опорой 202 и, следовательно, остаются в раздвинутом положении. В одном из предпочтительных вариантов осуществления замок 801 также снабжен стопорным приспособлением. Как показано на фиг.8, стопорное приспособление содержит выемку 212, простирающуюся радиально наружу в замке 801, и стопор 214, связанный с выемкой 212 через упругий элемент 213. В начальном положении выступ 209 давит на стопор 214. По мере расширения обсадной колонны выступ 209 перемещается в направлении потока и освобождает стопор 214, который выдвигается радиально наружу под действием упругого элемента 213 и давит на верхний по потоку концевой участок выступа 209, так что при подъеме расширителя 10 стопор 214 будет удерживать фиксирующий конус 208, препятствуя выходу лепестков 201 расширяющего конуса из зацепления с конусной опорой 202.
Ниже описывается способ расширения обсадной колонны 11 посредством расширителя 10 (фиг.1-15), включающий:
I: как показано на фиг.9, бурят скважину 1101 с открытым стволом и спускают в скважину 1101 обсадную колонну 1102 первого уровня для выполнения первого цементирования скважины, причем до спуска обсадной колонны 1102 первого уровня в скважину 1101 нижнюю по потоку часть 1103 обсадной колонны 1102 предварительно расширяют, а ее нижний по потоку концевой участок уплотняют;
II: как показано на фиг.10, спускают в скважину буровой инструмент 1201 для разбуривания обсадной колонны 1102 первого уровня и продолжения бурения, причем в зависимости от фактических условий могут проводиться операции по расширению открытого ствола с целью обеспечения в этом стволе пространства для реализации бурения с применением технологии монодиаметра, причем боковая стенка разбуриваемой обсадной колонны 1102 первого уровня образует участок перекрытия 1202 с трубами, устанавливаемыми ниже нее по потоку;
III: как показано на фиг.11, спускают в скважину обсадную колонну 1301 второго уровня и расширитель 10, устанавливая верхний по потоку участок обсадной колонны 1301 второго уровня с перекрытием с участком 1202 обсадной колонны первого уровня, причем на нижнем по потоку концевом участке обсадной колонны 1301 второго уровня предусмотрены с возможностью уплотнения цементировочные приспособления 1302, нижний по потоку участок обсадной колонны 1301 второго уровня содержит предварительно расширенную область 1303 обеспечения расширения, выше которой по потоку расположена зона 1304 перекрытия, а расширитель 10 выполнен таким образом, что его фиксирующий конус 208 расположен в области 1303 обеспечения расширения, причем цементировочные приспособления 1302 представляют собой такие компоненты, как муфты с обратным клапаном, башмаки с обратным клапаном и т.д., хорошо известные специалистам в данной области и не представленные в деталях в настоящем описании;
IV: выполняют цементирование скважины и спускают в нее резиновую пробку 305 для бурильной колонны, причем резиновая пробка 305 входит в зацепление с резиновой пробкой 301 расширителя, уплотняя нижний по потоку концевой участок центральной трубы 101; в одном варианте осуществления для цементирования скважины используют медленно схватывающийся цемент, чем обеспечивается возможность завершения расширения обсадной колонны 11 до затвердевания цементного раствора;
V: как показано на фиг.12, заполняют расширитель 10 жидкостью, оказывающей давление на лепестки 201 расширяющего конуса для их раздвигания, в результате чего происходит расширение обсадной колонны 1301 второго уровня расширителем 10, и, как показано на фиг.13 и 14, поднимают расширитель 10, увеличивая наружный диаметр обсадной колонны 1301 второго уровня до значения, равного значению внутреннего диаметра обсадной колонны 1102 первого уровня, чем обеспечивается возможность неподвижного соединения обсадной колонны 1301 второго уровня с участком 1202 перекрытия обсадной колонны 1102 первого уровня;
VI: как показано на фиг.15, повторяют операции этапов II-V и соединяют верхний по потоку участок обсадной колонны, расположенной ниже по потоку, с участком перекрытия обсадной колонны, расположенной выше по потоку, завершая тем самым цикл многоуровневого расширения обсадных колонн с применением технологии монодиаметра.
Следует отметить, что в способе, предлагаемом в настоящем изобретении, ни одна из обсадных колонн, за исключением нижнего по потоку участка 1103 обсадной колонны 1102 первого уровня, не подвергается предварительному расширению до спуска в скважину. Напротив, в данном случае они расширяются посредством расширителя 10, в процессе чего их внутренние диаметры увеличиваются до значения, равного значению внутреннего диаметра обсадной колонны 1102 первого уровня.
С помощью способа, предлагаемого в настоящем изобретении, реализуется расширение нескольких обсадных колонн до постоянного диаметра (монодиаметра), то есть как показано на фиг.15, после расширения внутренние диаметры всех обсадных колонн могут сравняться с внутренним диаметром колонн, расположенных выше по потоку. Следовательно, бурение скважины может осуществляться без потери диаметра (то есть при монодиаметре). Кроме того, поскольку диаметр скважины поддерживается постоянным, то на всем протяжении бурения можно использовать бурильные инструменты с одними и теми же техническими характеристиками, что снижает затраты на бурение и заканчивание скважин и повышает эффективность этих операций.
В одном варианте осуществления фиксирующий конус 208 расширителя 10 выполнен таким образом, что его наружный диаметр меньше внутреннего диаметра области 1303 обеспечения расширения, но больше внутреннего диаметра обсадной колонны 1301 второго уровня, расположенной выше по потоку, чем область 1303, так что до начала операций по расширению можно удобным образом ввести расширитель 10 в контакт с обсадной колонной 1301, что обеспечивает преимущества в процессе расширения. Кроме того, как упоминалось выше, наклон боковой поверхности фиксирующего конуса 208 меньше наклона наружной поверхности лепестков 201 расширяющего конуса, а наибольший диаметр фиксирующего конуса 208 меньше наибольшего диаметра лепестков 201 расширяющего конуса в раздвинутом положении. При проведении операций по расширению обсадную колонну 11 сначала слегка расширяет фиксирующий конус 208, а затем эта обсадная колонна расширяется до требуемого монодиаметра посредством раздвинутых лепестков 201 расширяющего конуса, так что с помощью фиксирующего конуса 208 и лепестков 201 расширяющего конуса фактически реализуется двухуровневое расширение, обеспечивающее успешное проведение этих операций.
Как показано на фиг.13, для обеспечения успешного строительства скважины после завершения расширения обсадных колонн всех уровней на этапе VI необходимо удалить нерасширенный участок 1305 в нижней по потоку части этих обсадных колонн, что можно осуществить, например, путем спуска в скважину фрезерного инструмента. Для повышения герметичности соединений обсадных колонн разных уровней в месте их перекрытия дополнительно предусматривают четвертый уплотнительный элемент 1203, например резиновый рукав, уплотнение из мягкого металла и т.д. После расширения и частичного перекрытия двух обсадных колонн 11 производят их сжатие для получения герметичного уплотнения. На наружной стороне обсадной колонны 11 в зоне 1304 перекрытия предусматривают заполнитель 1306 (фиг.11) для отделения цемента. В одном варианте осуществления заполнитель 1306 представляет собой материал с возможностью сжатия, например воздух (то есть на наружной стороне зоны 1304 перекрытия обсадной колонны 1301 второго уровня предусматривают полость 1307 для отделения цемента). В ходе операций по цементированию и расширению скважины полость 1307 отделяет цемент, то есть в ней не может сформироваться цементное кольцо, благодаря чему обеспечивается рабочее пространство для расширения и перекрытия обсадной колонны 1301 второго уровня и зоны 1304, а наружные цементные кольца не ограничивают это расширение.
Хотя в настоящем описании изобретение представлено со ссылками на предпочтительные примеры осуществления, оно распространяется за рамки этих конкретных примеров к другим альтернативным вариантам осуществления и/или использования его очевидных модификаций и эквивалентов. Объем изобретения, представленного в настоящем описании, не ограничивается конкретными примерами, описанными выше, а охватывает все и любые технические решения в пределах приложенной формулы изобретения.