УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРЕЗКИ В ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ СКВАЖИНЫ НЕСКОЛЬКИХ ОКОН НА РАЗНЫХ УРОВНЯХ ЗА ОДИН СПУСК ИНСТРУМЕНТА
DEVICE FOR CUTTING IN THE CIRCULAR COLUMN OF A WELL OF SEVERAL WINDOWS AT DIFFERENT LEVELS FOR ONE RUN OF THE TOOL

Изобретение относится к нефтегаздобывающей промышленности, а именно к буровой технике, к устройствам для прорезки окон в обсадной колонне и может быть использовано для проводки радиальных стволов из вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Известно устройство - клиновой отклонитель для забуривания боковых стволов из скважины [1]. Устройство состоит из гидравлического закрепляющего механизма, выполненного в виде профильной трубы, переводника, отклоняющего клина. Выше клина установлен режущий инструмент в виде компоновки фрез, связанный с бурильными трубами и соединенный механически с клином срезным элементом.
Недостатком этого устройства является то, что устройство не позволяет фрезеровать несколько окон в обсадной колонне за один спуск инструмента в скважину, а также создавать прямоугольную форму окна. При использовании этого устройства после вырезки окна в обсадной колонне скважины для фрезерования еще одного окна - на другой глубине, под другим углом азимута, требуется еще одно точно такое же устройство. Кроме того, в устройстве для крепления фрез к клину используется срезной элемент, что снижает надежность конструкции. Для извлечения клина необходим дополнительный спуск ловильного инструмента в скважину, что снижает технологичность вырезки боковых окон в обсадной колонне.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для многозабойного вскрытия продуктивных пластов одной скважиной [2], содержащее корпус, выполненный в виде продольно-гофрированной трубы, жестко связанный с патрубком, оснащенным посадочным местом под ориентирующий фиксатор с извлекаемым клином. Посадочное место патрубка выполнено в виде наклонной поверхности, переходящей в продольный паз под шпонку. Извлекаемый клин соединен с ориентирующим фиксатором, выполненным с возможностью регулирования направления, отклоняющей плоскости извлекаемого клина и имеющим шпонку, взаимодействующую с пазом патрубка. Извлекаемый клин выполнен с возможностью регулирования глубины установки в скважине, посредством сменного удлинителя, размещенного между ориентирующим фиксатором и извлекаемым клином. Устройство обеспечивает вырезание в обсадной колонне скважины одно и более боковых окон.
Недостатком этого устройства является то, что для фрезерования каждого нового окна в обсадной колонне скважины необходимо предварительно извлечь из скважины на устье клин с удлинителем и ориентирующим фиксатором, чтобы выставить на ориентирующем фиксаторе новый угол азимута, а так же заменить удлинитель на удлинитель другой длины. После этого, для фрезерования в обсадной колонне скважины нового окна, расположенного на другой глубине в другом направлении, устройство снова опускают в скважину. Кроме того, в устройстве для крепления фрез к клину используется срезной элемент, что снижает надежность конструкции. Для извлечения клина с удлинителем и ориентирующим фиксатором необходим дополнительный спуск ловильного инструмента в скважину, что снижает технологичность вырезки боковых окон в обсадной колонне. Данное устройство также не обеспечивает прямоугольную форму окна.
Техническими задачами, на решение которых направлено изобретение, являются: снижение затрат при фрезеровании нескольких окон в обсадной колонне скважины, за счет уменьшения количества спуско-подъемных операций, повышения технологичности таких операций, а также за счет повторного использования извлекаемого из скважины оборудования; кроме того, повышение надежности устройства за счет того, что крепление фрезы к клину осуществляется без использования срезных элементов; создание прямоугольного профиля вырезаемых окон.
Указанные задачи решены за счет того, что устройство для вырезки в обсадной колонне скважины нескольких окон на разных уровнях за один спуск инструмента содержит посадочный узел, на который опирается направляющий узел, соединенный с узлом поворота, к которому крепится узел извлекаемого клина с фрезами. При этом посадочный узел содержит посадочную втулку с винтовой - в половину оборота, опорной торцевой поверхностью, переходящей в шпоночный паз; направляющий узел содержит зацепы, шпонку и направляющую втулку с винтовой - в половину оборота, опорной торцевой поверхностью; узел поворота содержит поворотную втулку, в которую вставлен с возможностью перемещения в осевом направлении поворотный вал со штифтом, при этом концы штифта симметрично выступают из вала и входят в фигурный паз поворотной втулки; узел извлекаемого клина содержит корпус с закрепленным в нем клином, при этом корпус снабжен заглушкой, через которую проходит штанга с фрезой, на штанге закреплены стопор и упор, у которых наружные диаметры больше, чем проходное отверстие в заглушке.
Изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображено устройство для вырезки в обсадной колонне скважины нескольких окон на разных уровнях за один спуск инструмента в сборе в момент начала вырезки очередного окна в обсадной колонне; на фиг. 2 изображена поворотная втулка в изометрической проекции; на фиг. 3 показана развертка фигурного паза поворотной втулки вокруг ее оси.
Устройство для вырезки в обсадной колонне скважины нескольких окон на разных уровнях за один спуск инструмента фиг. 1 содержит посадочный узел I, на который опирается направляющий узел II, соединенный с узлом поворота III, к которому крепится узел извлекаемого клина IV с фрезами.
При этом посадочный узел содержит посадочную втулку 1 с винтовой - в половину оборота, опорной торцевой поверхностью А, переходящей в шпоночный паз В; направляющий узел содержит зацепы 2, шпонку 3 и направляющую втулку 4 с винтовой - в половину оборота, опорной торцевой поверхностью С; узел поворота содержит поворотную втулку 5, в которую вставлен с возможностью перемещения в осевом направлении поворотный вал 6 со штифтом 7, при этом концы штифта 7 симметрично выступают из поворотного вала 6 и входят в фигурный паз Е поворотной втулки 5; узел извлекаемого клина содержит корпус 8 с закрепленным в нем клином 9, при этом корпус снабжен заглушкой 10, через которую проходит штанга 11 с фрезой 12, на штанге закреплены стопор 13 и упор 14, у которых наружные диаметры больше, чем проходное отверстие в заглушке 10.
Устройство состоит из четырех функционально раздельных узлов.
Посадочный узел I состоит из якоря 15, который может быть механическим, в виде профильной экспандируемой трубы или с другим способом фиксации в колонне. С якорем соединяется посадочная втулка 1. Посадочная втулка 1 имеет винтовую - в половину оборота, опорную торцевую поверхность А. Эта поверхность образована радиусом, скользящим вдоль оси втулки по винтовой линии половину одного оборота. Поверхность А предназначена для опоры и однозначного ориентирования по углу направляющего узла устройства, а так же устройств, которые будут опускаться в скважину после спуска и закрепления посадочного узла в стволе скважины. Посадочная втулка 1 имеет продольный шпоночный паз В, начинающийся от винтовой торцевой поверхности А.
Направляющий узел содержит вал 16, на котором закреплены направляющая втулка 4, шпонка 3, зацепы 2. Направляющая втулка 4 имеет винтовую - в половину оборота, опорную торцевую поверхность С. Эта поверхность образована радиусом скользящим вдоль оси втулки по винтовой линии половину одного оборота. При спуске устройства в скважину, поверхность С сопрягается с поверхностью А посадочного узла, а шпонка 3 входит в шпоночный паз В посадочной втулки 1. На валу 16 выполнена коническая замковая резьба для соединения с узлом поворота.
Узел поворота состоит из поворотного вала 6, в который вставлен штифт 7. Концы штифта 7 симметрично выступают из поворотного вала 6. Поворотный вал 6 со штифтом 7 вставлен с возможностью перемещения в осевом направлении в поворотную втулку 5. На поворотной втулке 5 фиг. 2 вдоль и вокруг ее оси выполнен фигурный паз Е. Развертка фигурного паза Е вокруг оси поворотной втулки 5 показана на фиг. 3. Фигурный паз Е выполнен симметричным относительно оси поворотной втулки 5. Концы штифта 7, которые симметрично выступают из поворотного вала 6, размещаются внутри фигурного паза Е. Поворотная втулка 5 закреплена в кожухе 17. На поворотном валу 6 выполнена коническая замковая резьба для соединения с узлом извлекаемого клина.
Узел извлекаемого клина с фрезами состоит из корпуса 8. Внутри корпуса 8 закреплен клин 9. Корпус 8 снабжен заглушкой 10. В отверстие в заглушке 10 вставлена штанга 11. На штанге 11 закреплены стопор 13 и упор 14, наружные диаметры которых больше, чем проходное отверстие в заглушке 10. Стопор 13 и упор 14 ограничивают продольное перемещение штанги 11 относительно заглушки 10. Стопор 13 и упор 14 выполнены разъемными. На концах штанги 11 выполнены конические замковые резьбы для соединения с фрезой 12, с одной стороны, и с колонной бурильных труб, с другой. Колонна бурильных труб на фиг. 1 не показана. В фрезу 12 ввернута предохранительная насадка 18, которая при фрезеровании окна в обсадной колонне скважины не позволяет фрезе выйти целиком за обсадную колонну.
Устройство работает следующим образом.
На устье скважины производят соединение посадочного узла с бурильными трубами. На бурильных трубах производится спуск посадочного узла в скважину. На глубине, где необходимо вырезать окна в обсадной колонне, посадочный узел фиксируют, а бурильные трубы, на которых осуществлялся спуск в скважину, отсоединяют и извлекают на поверхность. Посадочное устройство остается зафиксированным в скважине на глубине вырезки боковых окон до окончания работ по проводке всех запланированных боковых стволов. Впоследствии оно может оставляться в скважине или, при необходимости, быть извлечено или разбурено.
На устье скважины производят сборку компоновки - последовательно соединяют направляющий узел II с узлом поворота III, который в свою очередь соединяют с узлом извлекаемого клина IV фиг. 1. Соединение осуществляется с помощью резьбы конической замковой. Штангу 11 соединяют с бурильными трубами, на которых производится спуск компоновки в скважину. При спуске в скважину устройство висит на бурильных трубах, поскольку наружный диаметр упора 14 больше, чем проходное отверстие в заглушке 10. Спуск компоновки в скважину заканчивается в тот момент, когда направляющий узел II входит в посадочный узел I фиг. 1. При этом шпонка 3 скользит по винтовой поверхности А, поворачивая компоновку, и попадает в шпоночный паз В; винтовая поверхность С направляющей втулки 4 опирается на винтовую поверхность А посадочной втулки 1; зацепы 2 защелкиваются в окнах К посадочной втулки 1. Шпонка 3 препятствует повороту направляющего узла относительно посадочного узла в процессе работы устройства. Зацепы 2 препятствуют незапланированному извлечению направляющего узла из посадочного узла.
После фиксации направляющего узла на посадочном узле, осуществляется фрезерование первого бокового окна в обсадной колонне. Путем правого вращения бурильной колонны ротором бурового станка, фреза 12 приводится во вращение. Разгружая бурильную колонну, фреза скользит по ложке клина 9 и, вращаясь, вырезает окно в обсадной колонне скважины. При этом часть ложки клина выполнена наклонной по отношению к оси устройства, а часть ложки клина параллельна оси устройства. Это позволяет вырезать прямоугольное окно вдоль оси обсадной колонны шириной меньше, чем диаметр фрезы. Ширина окна в обсадной колонне получается меньше диаметра фрезы за счет использования предохранительной насадки 18, которая не позволяет фрезе выйти целиком за обсадную колонну. Фрезерование окна в обсадной колонне заканчивается, когда стопор 13 упирается в заглушку 10, ограничивая перемещение штанги 11.
Осуществляется фрезерование второго бокового окна в обсадной колонне. Для этого колонну бурильных труб на устье скважины приподнимают. Штанга 11 приподнимается вместе с колонной бурильных труб. В тот момент, когда упор 14 упрется верхним торцом в заглушку 10, вместе со штангой 11 начинает приподниматься и узел извлекаемого клина, который тянет за собой поворотный вал 6 со штифтом 7. При этом поворотная втулка 5 с направляющим узлом остаются в скважине неподвижными, поскольку они соединены между собой и зафиксированы зацепами 2 в посадочном узле. При подъеме, концы штифта 7, которые выступают из поворотного вала 6, скользят по фигурному пазу Е поворотной втулки 5. Паз Е выполнен симметричным относительно оси поворотной втулки. Паз Е имеет продольные - вдоль оси поворотной втулки, и наклонные участки фиг. 2 и 3. Участки паза выполнены так, что при скольжении штифта 7 по продольному участку и при переходе на наклонный участок паза, штифт всегда поворачивает налево фиг. 3, что соответствует правому вращению бурильной колонны.
Так при фрезеровании первого окна в обсадной колонне один из концов штифта 7 находится в точке H1, а другой конец штифта находится в точке Н2. При подъеме бурильной колонны, а вместе с ней и поворотного вала 6, конец штифта 7 из точки H1 перемещается в точку M1, а другой конец штифта из точки Н2 перемещается в точку М2. Когда концы штифта 7 переместились в точки M1 и М2, усилие подъема бурильной колонны значительно возрастает, поскольку зацепы 2 препятствуют извлечению направляющего узла из посадочного узла, в этот момент приподъем колонны бурильных труб на устье заканчивают и начинают обратный спуск колонны бурильных труб в скважину. При этом обратном спуске, концы штифта из точек M1 и М2 фигурного паза Е перемещаются соответственно в точки Р1 и Р2 фиг. 3, и дальнейшее движение вниз поворотного вала 6 относительно поворотной втулки 5 прекращается. Таким образом, поворотный вал 6, а вместе с ним и узел извлекаемого клина фиксируются в положении для вырезки второго бокового окна в обсадной колонне скважины. Положения узла извлекаемого клина для вырезки первого и второго боковых окон находятся на расстоянии Т друг от друга фиг. 3 и повернуты вокруг продольной оси устройства на 90 градусов. После фиксации концов штифта в точках Р1 и Р2 поворотной втулки, осуществляется фрезерование второго бокового окна в обсадной колонне путем правого вращения бурильной колонны ротором бурового станка. Разгружая бурильную колонну, фреза, вращаясь, скользит по ложке клина, вырезая второе боковое окно. Фрезерование второго бокового окна в обсадной колонне заканчивается, когда стопор 13 упирается в заглушку 10, ограничивая перемещение штанги 11.
Осуществляется фрезерование третьего бокового окна в обсадной колонне. Для этого колонну бурильных труб на устье скважины приподнимают, штанга 11 приподнимается вместе с колонной бурильных труб. В тот момент, когда упор 14 упрется верхним торцом в заглушку 10, вместе со штангой 11 начинает приподниматься и узел извлекаемого клина, а так же поворотный вал 6 со штифтом 7. При этом поворотная втулка 5 с направляющим узлом остаются в скважине неподвижными. При подъеме бурильной колонны, а вместе с ней и поворотного вала 6 конец штифта 7 из точки Р1 перемещается в точку X1, а другой конец штифта из точки Р2 перемещается в точку Х2. Когда концы штифта 7 переместились в точки X1 и Х2, усилие подъема бурильной колонны значительно возрастает, поскольку зацепы 2 препятствуют извлечению направляющего узла из посадочного узла, в этот момент приподъем колонны бурильных труб на устье заканчивают и начинают обратный спуск колонны бурильных труб в скважину. При этом обратном спуске, концы штифта из точек X1 и Х2 фигурного паза Е перемещаются соответственно в точки Н2 и H1 фиг. 3. Таким образом, третье боковое окно будет фрезероваться на той же самой глубине скважины, что и первое боковое окно, но относительно первого бокового окна под углом 180 градусов вокруг продольной оси устройства. После фиксации концов штифта 7 в точках Н2 и H1 фигурного паза Е поворотной втулки 5, осуществляется фрезерование третьего бокового окна в обсадной колонне путем правого вращения бурильной колонны ротором бурового станка. Разгружая бурильную колонну, фреза, вращаясь, скользит по ложке клина, вырезая третье боковое окно. Фрезерование третьего бокового окна в обсадной колонне заканчивается, когда стопор 13 упирается в заглушку 10, ограничивая перемещение штанги 11.
Осуществляется фрезерование четвертого бокового окна в обсадной колонне. Для этого колонну бурильных труб на устье скважины приподнимают, штанга 11 приподнимается вместе с колонной бурильных труб. В тот момент, когда упор 14 упрется верхним торцом в заглушку 10, вместе со штангой 11 начинает приподниматься и узел извлекаемого клина, а так же поворотный вал 6 со штифтом 7. При этом поворотная втулка 5 с направляющим узлом остаются в скважине неподвижными. При подъеме бурильной колонны, а вместе с ней и поворотного вала 6, конец штифта 7 из точки Н2 перемещается в точку М2, а другой конец штифта из точки H1 перемещается в точку M1. Когда концы штифта 7 переместились в точки М2 и M1, усилие подъема бурильной колонны значительно возрастает, поскольку зацепы 2 препятствуют извлечению направляющего узла из посадочного узла, в этот момент приподъем колонны бурильных труб на устье заканчивают и начинают обратный спуск колонны бурильных труб в скважину. При этом обратном спуске, концы штифта из точек М2 и M1 фигурного паза Е перемещаются соответственно в точки Р2 и Р1 фиг. 3. Таким образом, четвертое боковое окно будет фрезероваться на той же самой глубине скважины, что и второе боковое окно, но относительно второго бокового окна под углом 180 градусов вокруг продольной оси устройства. После фиксации концов штифта 7 в точках Р2 и Р1 фигурного паза поворотной втулки, осуществляется фрезерование четвертого бокового окна в обсадной колонне путем правого вращения бурильной колонны ротором бурового станка. Разгружая бурильную колонну, фреза, вращаясь, скользит по ложке клина, вырезая четвертое боковое окно. Фрезерование четвертого бокового окна в обсадной колонне заканчивается, когда стопор 13 упирается в заглушку 10, ограничивая перемещение штанги 11.
Осуществляется извлечение устройства из скважины. Для этого колонну бурильных труб на устье скважины начинают поднимать, штанга 11 поднимается вместе с колонной бурильных труб. В тот момент, когда упор 14 упрется верхним торцом в заглушку 10, вместе со штангой 11 начинает подниматься и узел извлекаемого клина, а так же поворотный вал 6 со штифтом 7. При этом поворотная втулка 5 с направляющим узлом остаются в скважине неподвижными. При подъеме бурильной колонны, а вместе с ней и поворотного вала 6, конец штифта 7 из точки Р2 перемещается в точку Х2, а другой конец штифта из точки Р1 перемещается в точку X1. Когда концы штифта 7 переместились в точки Х2 и X1, усилие подъема бурильной колонны значительно возрастает, поскольку зацепы 2 препятствуют извлечению направляющего узла из посадочного узла. Значительно увеличивая усилие подъема бурильной колонны, зацепы 2 отщелкиваются и смещаются внутрь направляющего узла, не препятствуя дальнейшему подъему устройства на устье скважины. Все устройство, за исключением посадочного узла, извлекается на устье скважины.
Посадочная втулка 1 остается надежно зафиксированной от смещения и поворота в основном стволе скважины, ее опорная винтовая поверхность А позволяет однозначного ориентировать устройства, спускаемые в скважину, для попадания в боковые стволы скважины.
Источники информации
1. Патент РФ №2484231, МПК Е21В 7/08. Клиновой отклонитель для забуривания боковых стволов из скважины. Опубл. 10.06.2013, бюл. №16. // URL: http://www.freepatent.ru/patents/2484231 (дата обращения: 30.03.2018).
2. Патент РФ №2197593, МПК Е21В 7/08. Устройство для многозабойного вскрытия продуктивных пластов одной скважиной / Опубл. 27.01.2003 // URL: http://www.freepatent.ru/patents/2197593 (дата обращения: 30.03.2018).