СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ, КОМПОНОВКА ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, РАЗДВИЖНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСШИРИТЕЛЬ, ЦЕНТРАТОР И СТАБИЛИЗАТОР
METHOD FOR BOREHOLE ENLARGEMENT, ASSEMBLY OF TOOLS FOR IMPLEMENTATION OF METHOD, EXPANDABLE HYDRAULIC UNDERREAMER, CENTRALISER AND STABILISER

Предложение относится к бурению скважин и может быть использовано для их расширения, а также в процессе выполнения ремонтных работ в скважинах, требующих, например, удаления участков изношенных обсадных колонн.
Расширение выбранного интервала (участка) пробуренного (в т.ч. обсаженного и зацементированного) ствола скважины может быть осуществлено при перемещении бурильной колонны с раздвижным расширителем в различных направлениях: «сверху-вниз» или «снизу-вверх». В практических условиях пробуренный ствол скважины расширяют преимущественно методом «сверху-вниз», т.е. путем перемещения бурильной колонны в направлении - к забою скважины, при этом нижняя часть бурильной колонны находится в сжатом состоянии.
Указанный метод имеет серьезные недостатки, связанные, главным образом, со сложностью поддержания стабильных величин осевой нагрузки на раздвижной расширитель и частоты его вращения.
Известен способ заканчивания строительства скважин, включающий вскрытие пластов бурением, определение интервалов залегания продуктивных пластов и участков центрирования обсадной колонны, расширение ствола скважины, по меньшей мере, в интервале залегания продуктивного пласта, спуск до забоя обсадной колонны с одновременным ее центрированием и последующим цементированием, при этом в качестве участков центрирования обсадной колонны используют ствол скважины, а расширение ствола скважины осуществляют между выбранными участками центрирования с перекрытием границ залегания продуктивных пластов (RU 2009122756, 2010).
Известный способ имеет те же недостатки, поскольку реализуется в процессе заканчивания нефтяных и газовых скважин и осуществляется методом «сверху-вниз».
Поэтому более перспективным представляется расширение ствола скважины методом «снизу-вверх», при котором перемещение бурильной колонны осуществляется в направлении от забоя к поверхности. В этом случае вся бурильная колонна находится в растянутом состоянии и, следовательно, проблемы с обеспечением стабильных величин осевой нагрузки и частоты вращения раздвижного расширителя могут быть успешно решены за счет улучшения качества центрирования последнего в стволе скважины при соблюдении равномерности скорости осевого перемещения (подъема) инструмента. Таким известным, по сути, способом расширения участка ствола скважины является раскрытый в источнике информации (US 5318115, 1994) способ, включающий размещение в скважине компоновки инструмента, перевод ее из транспортного положения в рабочее, расширение участка ствола скважины методом «снизу-вверх» с центрированием компоновки инструмента относительно обсадной колонны. Несмотря на то, что данным способом производят отрезание обсадной колонны в морской скважине, но он представляет собой совокупность технологических операций, которые, по существу, аналогичны операциям по расширению обсаженного ствола скважины в заданном интервале. При этом якорный узел используется только в процессе первичного прорезания стенки обсадной колонны.
Однако известный способ обладает недостатками: низкое качество поверхности расширенной части ствола скважины, высокие затраты времени вследствие низких надежности, производительности и эффективности работ при расширении ствола скважины методом «снизу-вверх». Недостатки обусловлены недостаточно надежным центрированием компоновки как внутри обсадной колонны, так и относительно поверхности ствола скважины, образованной в результате его расширения.
Известна компоновка инструмента, предназначенная для отрезания обсадной колонны в морской скважине (US 3489211, 1970), в состав которой входят: телескопический компенсатор осевых перемещений бурильной колонны, раздвижной гидравлический расширитель, переводник вертлюжного типа и механический якорный узел. Раздвижной расширитель имеет корпус с осевыми пазами, в которых шарнирно подвешены режущие лопасти. Внутри корпуса установлены гидроприводной механизм для перевода режущих лопастей из транспортного положения в рабочее, а также дросселирующий узел.
Отрезание обсадной колонны в морской скважине представляет собой совокупность технологических операций, которые, по существу, аналогичны расширению обсаженного ствола скважины в заданном интервале. При этом якорный узел используется только в процессе первичного прорезания стенки обсадной колонны.
Однако известная компоновка из-за недостаточно надежного центрирования внутри обсадной колонны не позволяет осуществлять эффективное расширение ствола скважины.
Известна компоновка инструмента для расширения ствола скважины, включающая раздвижной гидравлический расширитель и дросселирующий узел, при этом раздвижной гидравлический расширитель выполнен в виде полого корпуса с присоединительными резьбами, с центральным каналом, в котором установлены жестко связанные между собой и имеющие общий дросселирующий канал поршень, подпружиненный относительно корпуса, и толкатель с кулачками, взаимодействующими с режущими лопастями, размещенными в сквозных продольных пазах, равномерно расположенных по окружности корпуса (RU 2341639, 2008).
Однако известная компоновка также из-за отсутствия возможности ее центрирования в скважине не позволяет осуществлять эффективное расширение ствола скважины.
Известна компоновка, входящая в состав инструмента для отрезания и последующего извлечения обсадной колонны из морской скважины (US 5318115, 1994), которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога. Указанная компоновка включает размещенные в нижней части бурильной колонны раздвижной гидравлический расширитель и центраторы. Имеются дросселирующий узел, наконечник и гидроприводной механизм для перевода режущих лопастей из транспортного положения в рабочее. Центраторы с жестко закрепленными на его наружной поверхности центрирующими элементами установлены в составе компоновки бурильной колонны выше и ниже раздвижного гидравлического расширителя. При этом над раздвижным гидравлическим расширителем размещено не менее двух центраторов. Процесс расширения ствола скважины осуществляется при перемещении компоновки бурильной колонны в направлении «снизу-вверх».
Основной недостаток известной компоновки заключается в том, что используемые в ее составе центраторы с постоянным наружным диаметром не позволяют обеспечить надежное центрирование раздвижного расширителя не только внутри обсадной колонны но, главным образом, в расширенной части ствола скважины, что в значительной степени снижает надежность (увеличивается вероятность поломок) и эффективность работы компоновки в процессе фрезерования обсадной колонны, а также разрушения цементного камня и горной породы. Результатом является низкое качество поверхности (неровности, задиры, вывалы) расширенной части ствола скважины, высокие затраты времени вследствие низких надежности, производительности и эффективности работ при расширении ствола скважины методом «снизу-вверх».
Известен раздвижной гидравлический расширитель, включающий полый корпус с присоединительными резьбами, с центральным каналом, в котором установлены жестко связанные между собой и имеющие общий дросселирующий канал поршень, подпружиненный относительно корпуса, и толкатель с кулачками, связанными с режущими лопастями, шарнирно подвешенными в сквозных продольных пазах, равномерно расположенных по окружности корпуса, и съемные калиброванные пластины (RU 2201493, 2003).
Известный расширитель предназначен для расширения ствола скважины методом «сверху-вниз» и обладает всеми недостатками, присущими аналогичным конструкциям.
Известен раздвижной гидравлический расширитель, включающий полый корпус с присоединительными резьбами, с центральным каналом, в котором установлены жестко связанные между собой и имеющие общий дросселирующий канал поршень, подпружиненный относительно корпуса, и толкатель с кулачками, связанный с режущими лопастями, равномерно расположенными по окружности корпуса (RU 2341639, 2008).
Известный расширитель предназначен для расширения ствола скважины методом как «сверху-вниз», так и методом «снизу-вверх», однако обладает низкой надежностью в работе, поскольку режущие лопасти имеют соединение (связь) с кулачками по типу «ласточкин хвост» и любое попадание загрязнений, например стружки, в это соединение может привести к заклинке лопастей. Кроме того, его конструктивное решение не позволяет добиться существенного увеличения диаметра расширения по отношению к исходному диаметру скважины.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является известный раздвижной гидравлический расширитель, содержащий полый цилиндрический корпус с присоединительными резьбами, с центральным каналом, в котором установлены жестко связанные между собой и имеющие общий дросселирующий канал поршень, подпружиненный относительно корпуса, и толкатель с кулачками, связанными серьгами с режущими лопастями, шарнирно подвешенными в сквозных продольных пазах, равномерно расположенных по окружности корпуса. Режущие лопасти имеют возможность быть переведенными в рабочее (выдвинутое за пределы корпуса) положение (US 4722615, 1988).
Недостатком известного расширителя является то, что его дросселирующий канал в процессе расширения скважины постоянно задействован и не позволяет подать больший расход жидкости, в частности, для функционирования нижерасположенного гидроприводного устройства, например раздвижного гидроприводного стабилизатора, или для большего количества промывочной жидкости, нагнетаемой для очистки нижерасположенного участка скважины.
Известен выбранный в качестве наиболее близкого аналога раздвижной гидравлический центратор, включающий цилиндрический корпус с центральным осевым каналом и присоединительными резьбами, ходовую втулку, установленную на корпусе с возможностью осевого вращения и возвратно-поступательного осевого перемещения относительного него, упорную втулку, установленную на корпусе с возможностью только осевого вращения относительно него, опорные узлы, равномерно размещенные по окружности снаружи корпуса между упорной и ходовой втулками, стакан с внутренней кольцевой расточкой, концентрично размещенный снаружи корпуса и жестко связанный с ним, кольцевой поршень, установленный во внутренней кольцевой расточке стакана с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса и взаимодействия с ходовой втулкой, радиальные каналы, выполненные в корпусе, для гидравлической связи центрального осевого канала корпуса с внутренней полостью, образованной наружной поверхностью корпуса, внутренней поверхностью стакана и торцевой поверхностью кольцевого поршня (RU 2411340, 2011).
Недостатком известного центратора является ограниченное прочностными характеристиками опорных узлов - пружинных дуг перемещение последних в рабочее положение, что снижает надежность работы и уменьшает диапазон рабочих диаметров центрирования.
Известен выбранный в качестве наиболее близкого аналога раздвижной гидравлический, по сути, стабилизатор, включающий полый цилиндрический корпус с присоединительными резьбами, ходовую втулку, установленную на корпусе с возможностью осевого вращения и осевого перемещения относительного него, упорную втулку, установленную на корпусе с возможностью только осевого вращения относительно него, опорные и направляющие узлы, равномерно и в чередующемся порядке размещенные по окружности снаружи корпуса между упорной и ходовой втулками, кожух с внутренней кольцевой расточкой, концентрично размещенный снаружи корпуса, кольцевой поршень, установленный во внутренней кольцевой расточке кожуха с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса и взаимодействия с ходовой втулкой (RU 2411340, 2011).
Недостатком известного раздвижного гидравлического, по сути, стабилизатора является ограниченное прочностными характеристиками опорных узлов - пружинных дуг перемещение последних в рабочее положение, что снижает надежность работы и уменьшает диапазон рабочих диаметров центрирования.
Задачей предложенной группы изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, является получение технического результата, выражающегося в повышении качества получаемой в процессе расширения ствола скважины вновь вскрытой ее поверхности, производительности и эффективности работ по расширению ствола скважины методом «снизу-вверх».
Раздвижные гидравлические расширитель, центратор и стабилизатор предназначены для использования в компоновке инструмента для расширения ствола скважины.
Задача решается и технический результат достигается тем, что в способе расширения участка ствола скважины, включающем размещение в скважине компоновки инструмента, перевод ее из транспортного положения в рабочее, расширение участка ствола скважины методом «снизу-вверх» с центрированием компоновки инструмента относительно обсадной колонны в процессе расширения участка ствола дополнительно осуществляют центрирование компоновки инструмента относительно поверхности ствола скважины, образованной в результате его расширения, а центрирование компоновки инструмента относительно обсадной колонны осуществляют, по крайней мере, в двух точках, расположенных выше гидравлического раздвижного расширителя компоновки инструмента.
В каждом конкретном случае расширение участка ствола скважины может осуществляться с предварительным вырезанием обсадной колонны и одновременным расширением, на участке вырезания обсадной колонны, ствола скважины до диаметра, равного или превышающего первоначальный диаметр скважины, с последующим расширением участка ствола скважины до необходимого диаметра.
Целесообразно центрирование компоновки инструмента относительно обсадной колонны осуществлять, по крайней мере, в двух точках, расположенных выше гидравлического раздвижного расширителя, а центрирование компоновки инструмента относительно поверхности ствола скважины, образованной в результате его расширения, - по крайней мере, в одной точке, расположенной ниже гидравлического раздвижного расширителя.
Предпочтительным является расширение участка ствола скважины с использованием предлагаемой компоновки инструмента, включающей раздвижные гидравлические расширитель, по крайней мере, два центратора, установленные непосредственно над раздвижным гидравлическим расширителем, раздвижной гидравлический стабилизатор, установленный непосредственно под раздвижным гидравлическим расширителем, и дросселирующий узел, размещенный в нижней части раздвижного гидравлического стабилизатора компоновки и имеющий присоединенный к нему наконечник.
1
2
Оптимальным является осуществление расширения участка ствола скважины с использованием предлагаемого раздвижного гидравлического расширителя, включающего полый корпус с присоединительными элементами (резьбами), с центральным каналом, в котором установлены жестко связанные между собой и имеющие общий дросселирующий канал поршень, подпружиненный относительно корпуса, и толкатель с кулачками, связанными серьгами с режущими лопастями, шарнирно подвешенными в сквозных продольных пазах, равномерно расположенных по окружности корпуса, фигурное кольцо, установленное на поршне со стороны, противоположной по отношению к толкателю, сквозные радиальные каналы в поршне, кольцевые наружная проточка и внутренняя расточка, гидравлически связанные между собой, причем центральный канал в корпусе разделен заглушкой на верхнюю и нижнюю его части, гидравлически связанные между собой периферийными каналами, выполненными в корпусе, поршень установлен в верхней части центрального канала таким образом, что его наружная кольцевая проточка гидравлически связана с периферийными каналами корпуса в транспортном положении расширителя и изолирована - в его рабочем положении, а фигурное кольцо установлено на поршне с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно поршня и перекрытия его внутренней кольцевой расточки в рабочем положении расширителя, при этом кратчайшее расстояние L от продольной оси корпуса до оси, связывающей кулачок толкателя с серьгой, меньше, чем L до оси, связывающей серьгу с режущей лопастью. Режущие лопасти могут быть дополнительно оснащены шарошками, установленными с возможностью свободного вращения.
Центрирование компоновки инструмента относительно обсадной колонны, по крайней мере, в двух точках, расположенных выше гидравлического раздвижного расширителя, необходимо осуществлять с использованием, по крайней мере, двух раздвижных гидравлических центраторов, каждый из которых может быть выполнен в соответствии с предлагаемым техническим решением, которое включает цилиндрический корпус с центральным осевым каналом и присоединительными элементами (резьбами), ходовую втулку, установленную на корпусе с возможностью осевого вращения и осевого перемещения относительного него, упорную втулку, установленную на корпусе с возможностью только осевого вращения относительно него, опорные узлы, равномерно размещенные по окружности снаружи корпуса между упорной и ходовой втулками, стакан с внутренней кольцевой расточкой, концентрично размещенный снаружи корпуса и жестко связанный с ним, кольцевой поршень, установленный во внутренней кольцевой расточке стакана с возможностью взаимодействия с ходовой втулкой, поршневую полость, сообщенную радиальными каналами, выполненными в корпусе, с центральным осевым его каналом, направляющие узлы, размещенные равномерно и в чередующемся порядке, по отношению к опорным узлам, по окружности снаружи корпуса между упорной и ходовой втулками. Опорный узел в частном случае выполнен в виде лыжи, концы которой с помощью серег шарнирно связаны соответственно с упорной и ходовой втулками, направляющий узел представляет собой телескопическое соединение, которое образуют между собой стержень, присоединенный к ходовой втулке, и патрубок, связанный с упорной втулкой и подпружиненный относительно ходовой втулки.
Наилучшего центрирования компоновки инструмента относительно поверхности ствола скважины, образованной в результате его расширения, по крайней мере, в одной точке, расположенной ниже гидравлического раздвижного расширителя, можно добиться при использовании предлагаемого раздвижного гидравлического стабилизатора, включающего полый цилиндрический корпус с присоединительными элементами (резьбами), ходовую втулку, установленную на корпусе с возможностью осевого вращения и осевого перемещения относительного него, упорную втулку, установленную на корпусе с возможностью только осевого вращения относительно него, опорные узлы, равномерно размещенные по окружности снаружи корпуса между упорной и ходовой втулками, кожух с внутренней кольцевой расточкой, концентрично размещенный снаружи корпуса, кольцевой поршень, установленный во внутренней кольцевой расточке кожуха с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и взаимодействия с ходовой втулкой, дросселирующий узел, расположенный в нижней части кожуха, и направляющие узлы, размещенные равномерно и в чередующемся порядке, по отношению к опорным узлам, по окружности снаружи корпуса между упорной и ходовой втулками, при этом кожух жестко связан с корпусом, кольцевой поршень выполнен со стержнями и взаимодействует с ходовой втулкой через шайбу, жестко связанную с упомянутыми стержнями, пропущенными в сквозных осевых отверстиях, выполненных в кожухе, и размещенную на наружной поверхности корпуса также с возможностью осевого перемещения относительно корпуса.
Обычно опорный узел гидравлического раздвижного расширителя выполнен, как и в раздвижном гидравлическом центраторе, в виде лыжи, концы которой с помощью серег шарнирно связаны соответственно с упорной и ходовой втулками.
Направляющий узел также представляет собой, как и в раздвижном гидравлическом центраторе, телескопическое соединение, которое образуют между собой стержень, присоединенный к ходовой втулке, и патрубок, связанный с упорной втулкой и подпружиненный относительно ходовой втулки.
В соответствии с предложением в конкретном варианте дросселирующий узел выполнен в виде связанного с кожухом колпака с центральным, промывочными и дросселирующими осевыми каналами в его перегородке и присоединительным элементом на свободном конце, запорного элемента, установленного внутри колпака с возможностью ограниченного осевого перемещения и перекрытия промывочных осевых каналов в рабочем положении раздвижного гидравлического стабилизатора, и пальцев различной длины, которые одними концами присоединены к фигурному кольцевому поршню и расположены с возможностью последовательного перекрытия или открытия дросселирующих осевых каналов другими своими концами при осевом перемещении фигурного кольцевого поршня относительно корпуса. К присоединительному элементу на свободном конце колпака присоединен наконечник.
В отношении объекта - устройства (компоновки) технический результат достигается тем, что компоновка инструмента для расширения ствола скважины, включающая раздвижной гидравлический расширитель, дросселирующий узел и, по крайней мере, два центратора, установленные непосредственно над раздвижным гидравлическим расширителем, снабжена раздвижным гидравлическим стабилизатором, установленным непосредственно под раздвижным гидравлическим расширителем, при этом, по крайней мере, два центратора, установленные непосредственно над раздвижным гидравлическим расширителем, выполнены раздвижными гидравлическими, а дросселирующий узел размещен в нижней части раздвижного гидравлического стабилизатора.
В одном из частных случаев раздвижной гидравлический расширитель выполнен в виде полого корпуса с присоединительными резьбами, с центральным каналом, в котором установлены жестко связанные между собой и имеющие общий дросселирующий канал поршень, подпружиненный относительно корпуса, и толкатель с кулачками, связанными серьгами с режущими лопастями, шарнирно подвешенными в сквозных продольных пазах, равномерно расположенных по окружности корпуса, при этом он снабжен фигурным кольцом, установленным на поршне со стороны, противоположной по отношению к толкателю, в поршне выполнены сквозные радиальные каналы, наружная и внутренняя кольцевые проточки, гидравлически связанные между собой, причем центральный канал в корпусе разделен заглушкой на верхнюю и нижнюю его части, гидравлически связанные между собой периферийными каналами, выполненными в корпусе, поршень установлен в верхней части центрального канала таким образом, что его наружная кольцевая проточка гидравлически связана с периферийными каналами корпуса в транспортном положении расширителя и изолирована - в его рабочем положении, а фигурное кольцо установлено на поршне с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно поршня и перекрытия его внутренней кольцевой проточки в рабочем положении расширителя, при этом кратчайшее расстояние от продольной оси корпуса до оси, связывающей кулачок толкателя с серьгой, меньше чем до оси, связывающей серьгу с режущей лопастью.
Режущие лопасти могут быть дополнительно оснащены шарошками, установленными с возможностью свободного вращения.
В конкретном случае раздвижной гидравлический центратор выполнен в виде цилиндрического корпуса с центральным осевым каналом и присоединительными резьбами, ходовой втулки, установленной на корпусе с возможностью осевого вращения и возвратно-поступательного осевого перемещения относительного него, упорной втулки, установленной на корпусе с возможностью только осевого вращения относительно него, опорных и направляющих узлов равномерно и в чередующемся порядке размещенных по окружности снаружи корпуса между упорной и ходовой втулками, стакана с внутренней кольцевой расточкой, концентрично размещенного снаружи корпуса и жестко связанного с ним, кольцевого поршня, установленного во внутренней кольцевой расточке кожуха с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса и взаимодействия с ходовой втулкой, при этом в корпусе выполнены радиальные каналы, посредством которых внутренняя полость, образованная наружной поверхностью корпуса, внутренней поверхностью кожуха и торцевой поверхностью кольцевого поршня, гидравлически связана с центральным осевым каналом корпуса.
Обычно опорный узел выполнен в виде лыжи, концы которой с помощью серег шарнирно связаны соответственно с упорной и ходовой втулками, а направляющий узел представляет собой телескопическое соединение, которое образуют между собой стержень, присоединенный к ходовой втулке, и патрубок, связанный с упорной втулкой и подпружиненный относительно ходовой втулки.
Оптимально, когда раздвижной гидравлический стабилизатор выполнен в виде полого цилиндрического корпуса с присоединительными резьбами, ходовой втулки, установленной на корпусе с возможностью осевого вращения и возвратно-поступательного осевого перемещения относительного него, упорной втулки, установленной на корпусе с возможностью только осевого вращения относительно него, опорных и направляющих узлов, равномерно и в чередующемся порядке размещенных по окружности снаружи корпуса между упорной и ходовой втулками, стакана с внутренней кольцевой расточкой, концентрично размещенного снаружи корпуса и жестко связанного с ним, фигурного кольцевого поршня, установленного во внутренней кольцевой расточке стакана с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса и взаимодействия с ходовой втулкой через шайбу, жестко связанную с упомянутым фигурным кольцевым поршнем стержнями, пропущенными в сквозных осевых отверстиях стакана, и размещенную на наружной поверхности корпуса также с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса.
Как и у раздвижного гидравлического центратора, опорный узел выполнен в виде лыжи, концы которой с помощью серег шарнирно связаны соответственно с упорной и ходовой втулками, а направляющий узел представляет собой телескопическое соединение, которое образуют между собой стержень, присоединенный к ходовой втулке, и патрубок, связанный с упорной втулкой и подпружиненный относительно ходовой втулки.
Дросселирующий узел размещен в нижней части раздвижного гидравлического стабилизатора и может быть выполнен в виде связанного с кожухом колпака с центральным, промывочными и дросселирующими осевыми каналами в его перегородке и резьбой на свободном конце, запорного элемента, установленного внутри колпака с возможностью ограниченного осевого перемещения и перекрытия промывочных осевых каналов в рабочем положении раздвижного гидравлического стабилизатора, и пальцев различной длины, которые одними концами присоединены к фигурному кольцевому поршню раздвижного гидравлического стабилизатора и расположены таким образом, что при осевом перемещении последнего относительно корпуса имеют возможность последовательного перекрытия или открытия дросселирующих осевых каналов.
Конструкция предложенной компоновки для расширения ствола скважины поясняется чертежами, где: на фиг.1 приведен общий вид компоновки при расширении ствола скважины методом «снизу-вверх»; на фиг.2 - общий вид раздвижного гидравлического стабилизатора в транспортном положении, продольный разрез; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 - общий вид раздвижного гидравлического центратора в рабочем положении, продольный разрез; на фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.4; на фиг.6 - раздвижной гидравлический расширитель в транспортном положении, продольный разрез; на фиг.7 - сечение В-В на фиг.6; на фиг.8 - сечение Г-Г на фиг.6; на фиг.9 - сечение Д-Д на фиг.6; на фиг.10 - раздвижной гидравлический стабилизатор в рабочем положении, продольный разрез; на фиг.11 - вид Е на фиг.6; на фиг.12 - раздвижной гидравлический стабилизатор в транспортном положении, продольный разрез; на фиг.13 - то же в рабочем положении; на фиг.14 - сечение Ж-Ж на фиг.12; на фиг.15 - сечение 3-3 на фиг.12; на фиг.16 - сечение И-И на фиг.13; на фиг.17 - сечение И-И на фиг.13; на фиг.18 - сечение Л-Л на фиг.13; на фиг.19а-19д - состав компоновки и этапы операций по расширению скважины.
Конструкция компоновки (фиг.1) определяет состав и взаимное расположение режущих, центрирующих и прочих узлов в нижней части бурильной колонны 1, которая в процессе работы размещается внутри зацементированной обсадной колонны 2 или в открытом стволе скважины. В состав компоновки входят: раздвижной гидравлический расширитель 3, центраторы 4 (с постоянным наружным диаметром - 4а, раздвижные гидравлические - 46), раздвижной гидравлический стабилизатор 5 и дросселирующий узел 59. В тех случаях, когда отсутствует возможность центрирования компоновки инструмента относительно обсадной колонны 2 ниже расположения раздвижных гидравлических расширителя 3 и стабилизатора 5 (центратор 4а или несколько центраторов 4а внизу отсутствуют), дросселирующий узел 59 может быть выполнен, к примеру, в виде некоего гидравличекого устройства, размещенного в нижней части раздвижного гидравлического стабилизатора 5 (фиг.19а-19г). К дросселирующему узлу 59 в этом случае присоединен наконечник 6. Раздвижной гидравлический расширитель 3 имеет режущие лопасти 7, оснащенные, к примеру, резцами 32, шарошками 33.
По крайней мере, два центратора 46, установленные непосредственно над раздвижным гидравлическим расширителем 3, выполнены раздвижными гидравлическими (фиг.19а-19д).
Раздвижной гидравлический стабилизатор 5 установлен непосредственно под раздвижным гидравлическим расширителем 3.
Выше центраторов 46, показанных на фиг.19а-19д, могут быть размещены также центраторы 4а, имеющие, например, постоянный наружный диаметр.
Снизу к раздвижному гидравлическому расширителю 3 присоединен раздвижной гидравлический стабилизатор 5, под которым в составе компоновки инструмента последовательно размещены дросселирующий узел 59 и наконечник 6, выполненный, например, в виде струйного насадка. Наконечник 6 обычно соединяют с присоединительным элементом (резьбой 56) колпака 51 дросселирующего узла 59.
В тех случаях, когда ниже намеченного к расширению участка ствола скважины имеется интервал скважины, не затрагиваемый расширением, то компоновка может быть собрана таким образом, чтобы в пределах этого интервала можно было бы разместить на колонне труб дополнительные центраторы 4а (фиг.19д). При этом между дросселирующим узлом 59 и центратором 4а устанавливается проставка из труб необходимой длины, а к самому нижнему центратору 4а присоединяется наконечник 6.
Раздвижной гидравлический центратор 46 (фиг.2-5) имеет цилиндрический корпус 8 с присоединительными резьбами на концах. В корпусе 8 выполнен центральный осевой канал 9. На наружной поверхности корпуса 8, с возможностью осевого вращения относительно него, размещены упорная и ходовая втулки 10, 11 соответственно. Кроме того, ходовая втулка 11 может также осуществлять возвратно-поступательное перемещение относительно корпуса 8.
На наружной поверхности корпуса 8, между упорной и ходовой втулками 10, 11 снаружи корпуса по окружности между упорной и ходовой втулками по окружности равномерно и в чередующемся порядке установлены опорные и направляющие узлы.
Опорный узел включает лыжу 12, каждый конец которой с помощью пары серег 13 шарнирно связан соответственно с упорной и ходовой втулками 10, 11. Серьги 13 крепятся на противоположных боковых сторонах лыжи 12.
Направляющий узел представляет собой телескопическое соединение, состоящее из стержня 14, присоединенного к ходовой втулке 11, и патрубка 15, связанного с упорной втулкой 10. Патрубок 15 подпружинен относительно ходовой втулки 11, причем пружина сжатия 16 размещена снаружи стержня 14.
На наружной поверхности корпуса 8 установлены кольцевой поршень 17 и стакан 18. Последний жестко связан с корпусом 8 и выполнен с внутренней кольцевой расточкой, в которой и размещен кольцевой поршень 17.
Кольцевой поршень 17 установлен во внутренней кольцевой расточке стакана 18 с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса 8 и взаимодействия с ходовой втулкой 11.
Наружная поверхность корпуса 8, внутренняя поверхность стакана 18 и торцевая поверхность кольцевого поршня 17 образуют внутреннюю полость, которая посредством радиальных каналов 19, выполненных в корпусе 8, гидравлически связана с его центральным осевым каналом 9.
Раздвижной гидравлический расширитель 3 (фиг.6-11) содержит полый цилиндрический корпус 20 с присоединительными резьбами на концах, с центральным каналом, разделенным, например, заглушкой на верхнюю и нижнюю его части 21, 22, гидравлически связанные между собой периферийными (обводными) каналами 23, выполненными в корпусе 20.
В центральном канале 21, в верхней его части, установлены жестко связанные между собой и имеющие общий дросселирующий канал 24 поршень 25, подпружиненный пружинами 26 относительно корпуса 20, и толкатель 27 с кулачками.
Кроме этого в корпусе 20 выполнены сквозные продольные пазы 29, равномерно расположенные по окружности корпуса 20, а также внутренний кольцевой выступ 30, при этом пазы 29 имеют гидравлическую связь с центральным каналом, а точнее с верхней его частью (глухой) 21. Пружины (обычно цилиндрические пружины сжатия) 26 охватывают одним своим концом направляющие стержни 28, присоединенные к поршню 25. При этом один из торцов пружины 26 взаимодействует с поршнем 25, а другой - с внутренним кольцевым выступом 30 корпуса 20.
В сквозных продольных пазах 29 шарнирно (на оси) подвешены режущие лопасти 7. Кулачки толкателя 27, связаны серьгами 31 с режущими лопастями 7, которые могут переводиться из транспортного положения в рабочее при помощи гидроприводного механизма, размещенного в корпусе раздвижного гидравлического расширителя 3 и срабатывающего в случае создания избыточного давления внутри бурильной колонны 1.
Режущие лопасти 7, являясь съемными рабочими органами, на которых закреплены резцы 32, могут быть дополнительно оснащены вращающимися шарошками 33. В этом случае резцы 32 будут предназначены для фрезерования металла обсадной колонны, а шарошки 33 - для эффективного разрушения цементного камня и горной породы. Раздвижной гидравлический расширитель, оснащенный такими комбинированными лопастями, предназначен для работы в скважине при наличии уже прорезанного в обсадной колонне 2 участка (окна).
На поршне 25 со стороны, противоположной по отношению к толкателю 27 (к расположению толкателя 27), установлено кольцо (фигурное) 34, в поршне 25 выполнены сквозные радиальные каналы 35, наружная кольцевая проточка 36 и внутренняя кольцевая расточка 37, гидравлически связанные между собой упомянутыми сквозными радиальными каналами 35.
Поршень 25 установлен в верхней части 21 центрального канала таким образом, что его наружная кольцевая проточка 36 гидравлически связана с периферийными каналами 23 корпуса 20 в транспортном положении раздвижного гидравлического расширителя и изолирована - в его рабочем положении, а кольцо 34 установлено на поршне 25 с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно поршня 25 и перекрытия его внутренней кольцевой проточки 37 в рабочем положении раздвижного гидравлического расширителя 3. В качестве ограничителей осевого перемещения фигурного кольца 34 могут служить кольцевой буртик 38 и конусообразная (несамозаклинивающая) входная часть внутренней кольцевой проточки 37.
1
2
Раздвижной гидравлический расширитель 3 устроен таким образом, что кратчайшее расстояние L от продольной оси корпуса 20 до оси 39, связывающей кулачок толкателя 27 с серьгой 31, меньше чем L до оси 40, связывающей серьгу 31 с режущей лопастью 7.
Раздвижной гидравлический стабилизатор 5 включает полый цилиндрический корпус 41 с присоединительными резьбами 42, 43. На корпусе 41 установлена ходовая втулка 44 с возможностью осевого вращения и возвратно-поступательного осевого перемещения относительного него. Также на корпусе 41 установлена упорная втулка 45 с возможностью только осевого вращения относительно него. Снаружи корпуса 41 по окружности равномерно и в чередующемся порядке размещены между ходовой и упорной втулками 44, 45 опорные и направляющие узлы, выполненные аналогично, как и у раздвижного гидравлического центратора 4. Опорный узел обычно выполнен в виде лыжи 12, концы которой с помощью серег 13 шарнирно связаны соответственно с ходовой и упорной втулками 44, 45, а направляющий узел представляет собой телескопическое соединение, которое образуют между собой стержень 14, присоединенный к ходовой втулке 44, и патрубок 15, связанный с упорной втулкой 45 и подпружиненный пружиной 16 относительно ходовой втулки 44.
Снаружи корпуса 41 концентрично размещен и жестко связан с ним кожух 46 с внутренней кольцевой расточкой 47. Во внутренней кольцевой расточке 47 кожуха 46 установлен кольцевой поршень 48 с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса 41 и взаимодействия с ходовой втулкой 44 через шайбу 49, жестко связанную с упомянутым кольцевым поршнем 48 стержнями 50, пропущенными в сквозных осевых отверстиях кожуха 46.
В одном из конкретных случаев дросселирующий узел 59 может быть выполнен в виде связанного с кожухом 46, например, резьбовым соединением колпака 51 с центральным, промывочными и дросселирующими осевыми каналами 52, 53, 54 в его перегородке 55 и резьбой 56 на свободном конце. Запорный элемент 57 установлен внутри колпака 51 над перегородкой 55 с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно кольцевого поршня 48 и перекрытия промывочных осевых каналов 53 в рабочем положении раздвижного гидравлического стабилизатора 5. К кольцевому поршню 48 одними концами присоединены пальцы 58 различной длины и расположены таким образом, что при осевом перемещении последнего относительно корпуса 41 имеют возможность последовательного перекрытия дросселирующих осевых каналов 54 при движении кольцевого поршня вниз и открытия при движении кольцевого поршня вверх. В резьбу 56 (здесь резьба является, по сути, присоединительным элементом на свободном конце колпака 51) обычно вворачивается наконечник 6 с промывочным каналом, выполненный, например, в виде струйного насадка (фиг.1).
Компоновка инструмента для расширения ствола скважины работает следующим образом. Собирается компоновка, как показано на фиг.1, и опускается на бурильной колонне в скважину на расчетную глубину при помощи талевой системы буровой установки.
В процессе спуска компоновки в ствол скважины промывочная жидкость имеет возможность свободного поступления во внутреннюю полость бурильной колонны 1 через наконечник 6, дросселирующий узел 59 (фиг.1) в раздвижной гидравлический стабилизатор 5 через промывочные каналы 53, приподнимая запорный элемент 57, и далее в раздвижной гидравлический расширитель 3. Элементы компоновки находятся в транспортном положении, при котором лыжи 12 прижаты к корпусу 8 (фиг.2) у раздвижных гидравлических центраторов 4 и к корпусу 41 - у раздвижного гидравлического стабилизатора 5. Раздвижной гидравлический расширитель 3 занимает положение, при котором основная часть промывочной жидкости имеет возможность свободного поступления по каналам 22, 23 в наружную кольцевую проточку 37 через сквозные радиальные каналы 35.
Далее промывочная жидкость приподнимает фигурное кольцо 34 и поступает в верхнюю часть (глухую) 21 центрального канала корпуса 20, а затем - во внутреннюю полость бурильной колонны. Кроме того, некоторая часть промывочной жидкости поступает также в верхнюю часть (глухую) 21 центрального канала корпуса 20 через сквозные продольные пазы 29 и осевой дросселирующий канал 24. Затем по центральному осевому каналу 9 цилиндрического корпуса 8 раздвижного гидравлического центратора 4 в верхнюю часть бурильной колонны 1.
После размещения компоновки на заданной глубине в стволе скважины необходимо организовать вращение бурильной колонны 1, а затем - прямую циркуляцию промывочной жидкости через нее.
С помощью дросселирующего узла 59 в бурильной колонне 1 создается избыточное давление.
Избыточное давление промывочной жидкости в центральном осевом канале корпуса 41 раздвижного гидравлического стабилизатора 5, при перекрытых промывочных осевых каналах 53 в перегородке колпака 51 запорным элементом 57, передается на фигурный кольцевой поршень 48. В раздвижном гидравлическом центраторе 4 избыточное давление промывочной жидкости в центральном осевом канале 9 корпуса 8 передается через радиальные каналы 19 на кольцевой поршень 17. Фигурный кольцевой поршень 48 в стабилизаторе 5 и кольцевой поршень 17 в центраторе 3 перемещаются в осевом направлении вверх относительно кожуха 46 и корпуса 8, соответственно, заставляя двигаться вместе с собой ходовые втулки 44, 11. Осевое перемещение ходовых втулок 44, 11 сообщается опорным и направляющим узлам центратора 3 и стабилизатора 5, приводящее к шарнирному повороту в опорных узлах серег 13, что обеспечивает раскрытие лыж 12 в радиальном направлении и их упор в стенки обсадной колонны и расширенной части ствола скважины.
В направляющих узлах стержни 14, сжимая пружины 16, заходят внутрь патрубков 15, что обеспечивает возможность одновременного вращения упорных и ходовых втулок 10, 45 и 11, 44, соответственно, относительно корпуса 8 и корпуса 41, соответственно. За счет этого достигается возможность беспрепятственного вращения корпусов 8, 41, в то время как лыжи 12 двигаются по стволу скважины только в осевом направлении.
Наличие избыточного давления промывочной жидкости в центральном осевом канале корпуса 20 раздвижного гидравлического расширителя обеспечивает возможность перевода режущих лопастей 7 раздвижного гидравлического расширителя 3 из транспортного положения в рабочее.
Под действием избыточного давления режущие лопасти 7 раздвижного гидравлического расширителя 3, с помощью размещенного в его корпусе гидроприводного механизма, переводятся из транспортного положения в рабочее.
При начале циркуляции промывочной жидкости фигурное кольцо 34 перекрывает внутреннюю кольцевую проточку 37 в поршне 25. В этом случае циркуляция промывочной жидкости осуществляется только через осевой дросселирующий канал 24, из-за чего избыточное давление во внутренней полости бурильной колонны 1 быстро увеличивается. Избыточное давление воздействует на поршень 25 и тот вместе с толкателем 27 начинает перемещаться в осевом направлении относительно корпуса 20, сжимая при этом пружины 26, размещенные на направляющих стержнях 28.
Осевое перемещение толкателя 27 через серьги 31, присоединенные к его наружным кулачкам, передается на лопасти 7, которые начинают поворачиваться вокруг осей, на которых подвешены, переходя из транспортного положения в рабочее. При контакте лопастей 7, например, с горной породой и/или с обсадной колонной и цементным камнем будет происходить разрушение последних. Продолжительность периода раскрытия лопастей 7 (т.е. их перехода из транспортного положения в рабочее) определяется, главным образом, прочностными характеристиками разрушаемой горной породы и/или металла обсадной колонны и цементного камня.
На завершающей стадии осевого перемещения толкателя 27 относительно корпуса 20, когда лопасти 7 полностью перейдут из транспортного положения в рабочее, поршень 25 откроет периферийные каналы 23. В этом случае циркуляция промывочной жидкости будет осуществляться как по осевому дросселирующему каналу 24, так и через периферийные каналы 23, при этом величина избыточного давления во внутренней полости бурильной колонны 1 уменьшится. Скачкообразное изменение величины избыточного давления на устье скважины будет свидетельствовать о том, что лопасти 7 окончательно перешли из транспортного положения в рабочее.
После того как лопасти 7 раздвижного гидравлического расширителя 3 перешли из транспортного положения в рабочее, следует обеспечить равномерное перемещение бурильной колонны 1 по стволу скважины в направлении «снизу-вверх». При этом силы, возникающие в результате взаимодействия вращающихся лопастей 7 с горной породой и/или с обсадной колонной и цементным камнем, будут способствовать удержанию толкателя 27 и поршня 25 в самом нижнем положении относительно корпуса 20. В процессе расширения бурильная колонна 1 равномерно перемещается по стволу скважины в направлении «снизу-вверх», при этом раздвижной гидравлический расширитель 3 оказывается надежно отцентрированным относительно обсадной колонны 2 и расширенной части ствола скважины.
После завершения процесса расширения выбранного интервала ствола скважины прекращается сначала вращение бурильной колонны 1, затем циркуляция промывочной жидкости, после чего с помощью талевой системы буровой установки на 10-15 см следует опустить бурильную колонну 1, чтобы исключить контакт лопастей 7 с горной породой и/или металлом обсадной колонны и цементным камнем. При уменьшении величины избыточного давления внутри бурильной колонны 1, поршень 25 с толкателем 27 под воздействием пружин 26, вернутся в первоначальное положение, что позволит перейти из рабочего положения в транспортное лопастям 7 раздвижного гидравлического расширителя 3, а также лыжам 12 (под действием сжатых пружин 16) раздвижных гидравлических центратора 3 и стабилизатора 5. После этого компоновка инструмента на бурильной колонне 1 может быть перемещена по стволу скважины или извлечена на поверхность.
Использование предложенной группы изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, позволяет повысить качество получаемой в процессе расширения ствола скважины вновь вскрытой ее поверхности, производительность и эффективность работ по расширению ствола скважины методом «снизу-вверх».