УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОРИЕНТАЦИИ ГИБКОЙ ТРУБЫ В БОКОВОЙ СТВОЛ СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR ORIENTATION OF FLEXIBLE PIPE IN BRANCH HOLE

Изобретение относится к области строительства скважин с боковыми стволами, оно может быть использовано в качестве поворотного ориентирующего устройства в забойных компоновках при ремонте многоствольных скважин, проведении различных технологических операций в боковых стволах скважин.
Известно устройство для доставки объекта в боковой ствол многоствольной скважины /RU 2142559, МПК E21B 47/01, 1999.12.10/, содержащее транспортирующий орган с механизмом изменения направления движения, стопорно-блокирующий механизм, соединенный с механизмом поиска и разъединения, который имеет двуплечий рычаг, подпружиненный шток, замок разъединения и взаимодействующие наклонные плоскости, верхняя из которых жестко связана с механизмом изменения направления движения, а нижняя - с корпусом подпружиненного штока.
Недостатками данного устройства являются сложность его конструкции, снижающая надежность работы устройства, а также ограниченность сферы применения, т.к. не позволяет его использовать для направления гибкой трубы колтюбинга в боковой ствол при проведении технологических операций по освоению и ремонту боковых стволов.
Известен также ориентатор гибкой трубы /BY 3870 U, МПК E21B 7/04, 2007.01.29/, содержащий сборный корпус, в котором размещены полый поршень, возвратная пружина поршня, поворотный шпиндель, храповый венец, зубцы которого фиксируются собачками. На поршне выполнены кулачки, взаимодействующие с винтовыми канавками, выполненными на стенке сборного корпуса, внутренний диаметр полого поршня больше диаметра ориентируемой гибкой трубы на величину щелевого зазора, обеспечивающего необходимый перепад давления между зонами, расположенными над и под поршнем. Ориентатор также содержит две зубчатые полумуфты, устроенные с возможностью взаимодействия между собой, одна из которых размещена в нижней части поршня, а другая - в верхней части поворотного шпинделя, а возвратная пружина поршня обеспечивает их разомкнутое положение, дополнительную возвратную пружину, обеспечивающую возврат поворотного шпинделя в верхнее исходное положение, шлицевую муфту, кинематически связанную с нижней частью поворотного шпинделя посредством устроенных на нем шлиц и установленную в нижней части сборного корпуса посредством резьбовой втулки, на нижнем торце которой устроена храповая полумуфта, собачки которой взаимодействуют с зубцами храпового венца, устроенного на теле шлицевой муфты, поворотный корпус с закрепленной на его внутренней стенке рессорой и продольным окном, устроенным напротив рессоры, причем верхняя часть поворотного корпуса соединена с нижней частью шлицевой муфты.
Недостатками этого ориентатора являются сложность конструкции и его низкая надежность работы. Дополнительно во время проведения промывок и обработок химреагентами бокового ствола скважины, обратный поток жидкости, выносящий из скважины загрязнения и продукты реакции, забьет щелевой зазор, для его выхода потребуется дополнительно установка на НКТ, над ориентатором, циркуляционного клапана, что еще больше усложняет конструкцию и снижает надежность работы.
Выполнение канавок на стенке сборного корпуса винтовыми ведет к тому, что поршень вместо прямолинейного движения совершает одновременно поворот вокруг своей оси, а силы, действующие на возвратную пружину, не только сжимают ее, но и стремятся ее повернуть, что неблагоприятно сказывается на надежности работы поршня, пружины и ориентатора в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является ориентатор гибкой трубы /BY 5167U, МПК E21B 7/04, 2009.04.30/, выполненный с возможностью крепления на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) и содержащий полый сборный корпус, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещена подпружиненная втулка, привод, обеспечивающий поступательное перемещение подпружиненной втулки при воздействии на него гибкой трубой, включающий в себя кулачки, выполненные в виде двуплечих рычагов, расположенных на осях, закрепленных в сквозных окнах, выполненных в стенке подпружиненной втулки, при этом одни плечи размещены в полости подвижной втулки с перекрытием ее до размера, меньшего, чем диаметр гибкой трубы, а вторые плечи, с возможностью перемещения без поворота вокруг оси, расположены в соответствующих прямолинейных канавках, выполненных на внутренней стенке сборного корпуса. Кроме того, в сборном корпусе расположен полый поворотный шпиндель, в нижней части которого жестко закреплен корпус с отклоняющим элементом и продольным окном для прохода гибкой трубы в ствол скважины, а также механизм, обеспечивающий преобразование поступательного движения втулки во вращательное движение шпинделя на дискретный угол, содержащий две полые зубчатые полумуфты, устроенные с возможностью взаимодействия между собой, одна из которых размещена в верхней части поворотного шпинделя, а другая полумуфта соединена с подпружиненной втулкой посредством винтовых шлицов.
Недостатком данного устройства является отсутствие фиксации положения корпуса с продольным окном и отклоняющим элементом после попадания гибкой трубы в боковой ствол скважины напротив бокового ствола. При необходимости последующих спуско-подъемных операций гибкой трубы корпус с продольным окном продолжает поворачиваться, не сохраняя ориентированное положение, и поэтому приходится каждый раз повторять циклы дискретного поворота до следующего совпадения продольного окна поворотного корпуса с боковым стволом, а это снижает надежность и технологичность работы ориентатора. Недостатком также является то, что не исключена возможность создания неравномерного нажатия на кулачки гибкой трубой за счет ее возможного смещения и эксцентричного положения в полости подвижной втулки, что приведет к неравномерной нагрузке на кулачки и их перекосу, снижая надежность работы устройства, и его повышенный износ.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности устройства для ориентации гибкой трубы в боковой ствол скважины, а также повышение технологичности работы данных устройств за счет центрирования гибкой трубы и фиксации ориентированного положения корпуса с продольным окном в боковой ствол скважины, позволяющего исключить повторные операции ориентирования при последующих спуско-подъемных операциях.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для ориентации гибкой трубы в боковой ствол скважины, выполненное с возможностью крепления на колонне насосно-компрессорных труб, содержащее полый сборный корпус, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещена подпружиненная втулка, привод, обеспечивающий поступательное перемещение подпружиненной втулки при воздействии на него гибкой трубой, полый поворотный шпиндель, в нижней части которого жестко закреплен корпус с отклоняющим элементом и продольным окном для прохода гибкой трубы в ствол скважины, механизм, обеспечивающий преобразование поступательного движения втулки во вращательное движение шпинделя на дискретный угол, согласно изобретению содержит дополнительную втулку, выполненную с возможностью центрирования гибкой трубы и обеспечения ограничения возвратного движения подпружиненной втулки.
Кроме того, в частном случае исполнения, привод, обеспечивающий поступательное перемещение подпружиненной втулки при воздействии на него гибкой трубой, может включать в себя кулачки, выполненные в виде двуплечих рычагов, расположенных на осях, закрепленных в сквозных окнах, выполненных в стенке подпружиненной втулки, при этом одни плечи размещены в полости подвижной втулки с перекрытием ее до размера, меньшего, чем диаметр гибкой трубы, а вторые плечи, с возможностью перемещения без поворота вокруг оси, расположены в соответствующих прямолинейных канавках, выполненных на внутренней стенке сборного корпуса.
Помимо этого, механизм, обеспечивающий преобразование поступательного движения подпружиненной втулки во вращательное движение шпинделя на дискретный угол, может содержать две полые зубчатые полумуфты, устроенные с возможностью взаимодействия между собой, одна из которых размещена в верхней части поворотного шпинделя, а другая полумуфта соединена с подпружиненной втулкой посредством винтовых шлицов.
Для решения поставленной задачи, в частном случае исполнения, дополнительная втулка выполнена в виде двухступенчатой втулки, в стенке меньшей ступени которой выполнены продольные пазы с перегородками между ними в виде центрирующих ребер, концы которых оснащены цанговыми лепестками с наружными коническими буртиками, а в средней части пазов между перегородками выполнены поперечные перемычки, при этом на внутренней стенке верхней части подпружиненной втулки выполнен уступ для размещения в нем большей ступени дополнительной втулки, ниже которого на расстоянии, равном длине хода подпружиненной втулки, выполнена канавка для размещения в ней конических буртиков.
Заявленное изобретение представлено на следующих чертежах:
на фиг.1 изображен разрез устройства для ориентации гибкой трубы в боковой ствол скважины, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, показывающее положение элементов привода до воздействия на них гибкой трубы; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1, на фиг.4 - вид B на фиг.1, показывающий исходное положение дополнительной ступенчатой втулки; на фиг.5 - разрез устройства с сориентированной в боковой ствол скважины гибкой трубой; на фиг.6 - положение дополнительной ступенчатой втулки в момент фиксации подпружиненной втулки.
Устройство для ориентации гибкой колтюбинговой трубы 1 включает закрепленный на колонне НКТ 2 сборный корпус 3, в котором размещена втулка 4 со сквозными окнами 5 и винтовыми шлицами 6 в нижней части. Вдоль стенки сборного корпуса 3 выполнены прямолинейные канавки 7, заканчивающиеся углублениями 8. В сквозных окнах 5 на осях 9 закреплены кулачки 10, одни из плеч которых с возможностью перемещения без поворота вокруг оси 9 размещены в прямых канавках 7, а вторые плечи выступают в полость 11 втулки 4. Между выступом сборного корпуса 3 и выполненным на втулке 4 буртиком расположена возвратная пружина 12. Ниже подпружиненной втулки 4 в сборном корпусе 3 размещен полый поворотный шпиндель 13, а между ними находятся полые зубчатые полумуфты 14 и 15, в исходном положении под воздействием возвратной пружины 12 находящиеся в разъединенном состоянии. Зубчатая полумуфта 15 закреплена в верхней части полого поворотного шпинделя 13. На зубчатой полумуфте 14 нарезаны винтовые шлицы 16, входящие в зацепление с винтовыми шлицами 6 подпружиненной втулки 4.
На нижней части поворотного шпинделя 13 жестко закреплен корпус 17, в котором выполнено продольное окно 18, напротив которого расположен отклоняющий элемент 19.
На внутренней стенке подпружиненной втулки 4 над кулачками выполнен уступ 20, на котором большей ступенью установлена дополнительная ступенчатая втулка 21. В стенке меньшей ступени дополнительной втулки 21 выполнены сквозные пазы 22 с перегородками между ними в виде центрирующих внутренних ребер 23. В средней части пазов 22 и центрирующих ребер 23 расположена кольцевая перемычка 24. Концы центрирующих ребер 23 оснащены цанговыми лепестками 25 с наружными коническими буртиками 26. В стенке подпружиненной втулки 4 ниже уступа 20 на расстоянии l, равном длине хода подпружиненной втулки 4, выполнена канавка 27 для размещения в ней конических буртиков 26.
Устройство работает следующим образом.
После сборки компоновки и спуска ее на колонне НКТ 2 до размещения корпуса 17 в обсадной колонне 28 напротив входа в боковой ствол 29 скважины, координаты которого определены по результатам геофизических исследований, в колонну НКТ 2 спускают гибкую трубу 1 колтюбинга.
Дойдя до втулки 4, гибкая труба 1 центрируется ребрами 23 дополнительной втулки 21 и гарантированно равномерно упирается в плечи кулачков 10, перекрывающих полость 11 втулки 4 до размера, меньшего, чем диаметр гибкой трубы 1. При дальнейшем движении гибкой трубы 1 на кулачки 10, закрепленные на осях 9 в сквозных окнах 5 втулки 4, равномерно разгружается часть ее веса, под действием которого втулка 4 перемещается вниз, сжимая возвратную пружину 12. Над втулкой 4 образуется полость Г. Вместе с втулкой 4 перемещается вниз дополнительная втулка 21, так как конические буртики 26 за счет упругости цанговых лепестков 25 удерживаются в канавке 27, выполненной в стенке втулки 4.
Кулачки 10 в данный момент провернуться на осях 9 не имеют возможности, т.к. их вторые плечи упираются в дно канавки 7, выполненные прямыми, и скользят по ним, а втулка 4, соответственно, движется вниз прямолинейно. При этом винтовые шлицы 6 подвижной втулки 4 кинематически взаимодействуют с винтовыми шлицами 16 зубчатой полумуфты 14, заставляя последнюю поворачиваться со смещением вниз до зацепления с зубчатой полумуфтой 15. После зацепления зубчатых полумуфт 14 и 15 происходит дальнейший поворот совместно с поворотным шпинделем 13 и жестко закрепленным на нем корпусом 17.
Поворот происходит до тех пор, пока скользящие в прямых канавках 7 плечи кулачков 10 не попадут в конце хода l в сообщенные с прямыми канавками 7 углубления 8. При этом кулачки 10 поворачиваются на своих осях 9 и входят в углубление 8, пропуская вниз гибкую трубу 1, которая проходит через полые зубчатые полумуфты 14 и 15, полый поворотный шпиндель 13 и попадает в корпус 17, и, взаимодействуя с отклоняющим элементом 19, направляется через продольное окно 18 в боковой ствол 29 скважины.
Центрирующие ребра 23 способствуют равномерной нагрузке на кулачки 10 и обеспечивают их скольжение в канавках 7 без перекосов и задиров, что снижает их повышенный износ, повышая надежность работы устройства.
Если же гибкая труба 1 не попала в боковой ствол 29, то она упирается в стенку обсадной колонны 28, и в этот момент происходит ее разгрузка, что фиксируется показаниями гидравлического индикатора веса (ГИВ), расположенного на устье скважины. Оператор ставит метку на гибкой трубе 1 и приподнимает ее до выхода из устройства (на 1-2 метра).
При подъеме гибкой трубы 1 после освобождения кулачков 10 (подъема низа трубы выше их), подвижная втулка 4 под действием возвратной пружины 12 поднимается вверх, при этом кулачки 10, упираясь в уступ углубления 8, поворачиваются на осях 9, и входят в канавки 7, скользя по ним и обеспечивая прямолинейное движение подпружиненной втулке 4. Одновременно с этим на винтовых шлицах 6 втулки 4 поднимается вверх зубчатая полумуфта 14, выходя из зацепления с полумуфтой 15. Зубчатая полумуфта 14 поднимается до упора верхним торцом в выступ корпуса 3, после этого она под действием продолжающей подниматься втулки 4 свободно поворачивается в обратную сторону. За счет разъединения зубчатых полумуфт 14 и 15 поворотный шпиндель 13 и связанный с ним корпус 17 поворот в обратную сторону не совершают и остаются в прежнем повернутом положении. Втулка 4 под действием возвратной пружины 12 поднимается вверх до упора верхним торцом в выступ корпуса 2.
После этого производится повторный спуск гибкой трубы 1 колтюбинга и частичная разгрузка ее на кулачки 10. Происходит перемещение подпружиненной втулки 4 с дополнительной втулкой 21 и, соответственно, поворот шпинделя 13 с корпусом 17 на следующую позицию. При прохождении ранее поставленной метки оператор следит за показаниями ГИВа. Если в этот момент не произошло уменьшение веса, то есть разгрузка гибкой трубы 1 отсутствует, значит, поворота корпуса 17 оказалось достаточно, и гибкая труба 1 через продольное окно 18 вошла в боковой ствол 29 скважины. Если же при спуске гибкой трубы 1 опять произошла ее разгрузка, ГИВ показал уменьшение нагрузки, значит, гибкая труба 1 уперлась в стенку обсадной колонны 28. Производится еще одна операция по повороту корпуса 17. Операции повторяются до тех пор, пока гибкая труба 1 не войдет в боковой ствол 29 скважины.
Величина дискретного угла поворота поворотного шпинделя 13 с поворотным корпусом 17 определяется геометрическими параметрами винтовых шлицов 6 и 16 и ходом l подпружиненной втулки 4.
После попадания гибкой трубы 1 в боковой ствол 29 продолжают ее спуск до забоя бокового ствола 29 скважины и закачкой в гибкую трубу 1 технологической жидкости промывают забой. При этом обратный поток технологической жидкости попадает в полость подпружиненной втулки 4, в которой кольцевой зазор между гибкой трубой 1 и стенкой втулки 4 перекрыт кольцевой перемычкой 24 дополнительной втулки 21. Под действием напора обратного потока технологической жидкости на кольцевую перемычку 24 буртики 26 по конической поверхности выходят из канавки 27, упруго сжимая цанговые лепестки 25, и дополнительная втулка 21 перемещается вверх до упора верхним торцом в выступ 20 корпуса 3. При этом конические буртики 26 нижними торцами защелкиваются на уступе 20 за счет упругости цанговых лепестков 25 и за счет того, что ход подпружиненной втулки 4 равен расстоянию от уступа 20 до канавки 27.
Таким образом, подпружиненная втулка 4 фиксируется дополнительной втулкой 21 в нижнем положении, при котором кулачки 10 находятся в углублениях 8 и не препятствуют перемещению гибкой трубы 1 в полости устройства. При этом ориентированное положение корпуса 17 с продольным окном 18 в боковой ствол 29 скважины сохраняется. Обратный поток технологической жидкости свободно проходит, минуя кольцевую перемычку 24, через сквозные пазы 22 меньшей ступени дополнительной втулки 21 и полость Г.
После фиксации подпружиненной втулки 4 и промывки забоя бокового ствола 29 возможно дальнейшее проведение технологических операций и исследование бокового ствола 29 скважины с выполнением спуско-подъемных операций гибкой трубы 3 с сохранением ориентированного положения устройства в боковой ствол 29, что позволяет повысить надежность и технологичность работы устройства.