КОМПОНОВКА ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ ПРОРЕЗКИ БОКОВОГО "ОКНА" В ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ СКВАЖИНЫ
ARRANGEMENT OF TOOLS FOR CUTTING SIDE OPENING IN CASED COLUMN OF WELL

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к технике прорезки боковых «окон» в обсадной колонне скважины для дальнейшего бурения вторых стволов.
7
По патенту РФ №2166058, МПК Е21В 7/08 (заявлено 01.06.1999 г., опубликовано 27.04.2001 г.) известно изобретение «Клиновой отклонитель», которое принимаем за аналог. Устройство по аналогу включает в себя направляющий клин с наклонной рабочей поверхностью и узел опоры, содержащий выдвижные распорные элементы в виде верхней и нижней плашек с зубьями на лицевой поверхности и наклонными поверхностями в виде паза - на тыльной стороне. Узел опоры содержит также полый корпус, который жестко соединен с направляющим клином. Направляющий клин-отклонитель с противоположной стороны рабочей поверхности имеет паз для размещения в последующем шланга высокого давления. В корпусе узла опоры размещен подвижный сплошной поршень, удерживаемый в корпусе срезной шпилькой. Поршень имеет наклонные поверхности под плашки, выполненные в виде выступов, соответствующих пазам плашек. Между корпусом узла опоры и поршнем размещены уплотнители. Верхняя часть направляющего клина закреплена с подвесным устройством срезным болтом. В нижней части клина-отклонителя имеется полость, которая выполнена замкнутой и связана со шлангом высокого давления посредством бокового отверстия в направляющем клине. Рабочая поверхность направляющего клина имеет вид желоба, который выполнен со стороны верхней плашки. Корпус узла опоры дополнительно имеет радиальное отверстие для обеспечения сброса давления жидкости в камере, образованной при перемещении сплошного поршня относительно клина, что служит показателем закрепления отклонителя на требуемом уровне в скважине.
Недостатком устройства по аналогу является то, что конструктивно отклонитель рассчитан на установку на забой, так как для закрепления на стенке обсадной колонны необходимо большее давление на плашки, чтобы удержать компоновку. Закрепление на стенке обсадной колонны отклонителя проблематично и в случае недостаточного давления жидкости на поршень. Нижняя торцевая часть полости корпуса отклонителя открыта и способна воспрепятствовать движению поршня вниз в случае засорения при установке на стенке обсадной колонны. В случае отклонения от рассчитанного внутреннего диаметра обсадной колонны (трубы) в месте или местах закрепления плашки или обеих плашек, а также установка и закрепление и на забой, и особенно на стенках обсадной колонны, не будут реализованы.
6
Наиболее близким (прототипом) к заявляемому изобретению по совокупности сходных существенных признаков из числа известных технических решений того же назначения принимаем компоновку инструментов для прорезки бокового «окна» в обсадной колонне скважины, сведения о которой приведены в описании изобретения к патенту РФ №2311522 по МПК Е21В 7/08 (заявлено 19.05.2006 г., опубликовано 27.11.2007 г.) под названием «Гидравлический отклонитель».
Компоновка по прототипу включает в себя закрепленный на колонне бурильных труб полый фрезер-райбер, к которому на срезном элементе подвешен клин-отклонитель, снабженный устройством его крепления в обсадной колонне в виде гидромеханического узла с каналом подачи в него рабочей жидкости.
Устройство крепления клина-отклонителя в обсадной колонне скважины (в прототипе оно названо - узел опоры) в компоновке по прототипу содержит цилиндрический полый корпус с окнами для плашек, расположенный в упомянутом полом корпусе распорный элемент с наклонными поверхностями, на которых с возможностью перемещения размещены плашки, имеющие на лицевой поверхности зубья, а с тыльной стороны - паз, соответствующий Т-образному выступу на наклонной поверхности распорного элемента, гидравлическую камеру и гибкий шланг высокого давления для подачи жидкости в гидравлическую камеру.
Компоновка по прототипу снабжена также размещенными между клином-отклонителем и цилиндрическим полым корпусом узла опоры переходником и пакерами. При этом распорный элемент имеет направляющую часть, выполненную внизу в виде поршня, и переходящую в распорную часть, выполненную в виде правильной трехгранной усеченной суженной книзу пирамиды, ребра которой образованы наклонной поверхностью и имеют выступы под плашки, зубья которых выполнены с наклоном вниз. Плашки радиально размещены в окнах, выполненных в нижней части цилиндрического полого корпуса узла опоры под углом 120° относительно друг друга. При этом в верхней части корпуса узла опоры выполнена кольцевая расточка и упор, образующие с цилиндрической поверхностью направляющей части распорного элемента гидравлическую камеру. Камера связана с гибким шлангом посредством выполненных соответственно в переходнике и в направляющей части распорного элемента полостей, последняя из которых связана с гидравлической камерой через распределитель. Распределитель выполнен в направляющей части в виде трех сквозных под углом 120° относительно друг друга отверстий. Корпус узла опоры установлен с возможностью перемещения вдоль направляющей части распорного элемента, с одновременным изменением объема гидравлической камеры. На торце цилиндрического полого корпуса узла опоры надета заглушка, закрепленная резьбовым соединением с распорной частью распорного элемента. Между внутренней поверхностью полого цилиндрического корпуса узла опоры и внешней поверхностью распорного элемента установлены уплотнители.
Однако известная по прототипу компоновка не обеспечивает необходимой прочности ее крепления в обсадной колонне из-за того, что при заякоривании происходит одновременно и выдвижение упорных плашек, и сжатие пакеров, выполненных, как обычно, из эластичных упругих уплотнительных элементов. После заякоривания устройства крепления за счет сил упругой деформации уплотнительных элементов пакера стремятся расшириться, чем ослабляют осевые усилия расклинивания.
Кроме того, компоновка по прототипу при эксплуатации требует проведения дополнительных подготовительных работ, так как для надежного срабатывания пакеров каждый раз необходимо их подбирать с условием, чтобы наружный диаметр пакера строго соответствовал бы внутреннему диаметру конкретной обсадной колонны.
Еще одним недостатком является то, что компоновка по прототипу не позволяет производить промывку скважины при ее спуске, что в ряде случаев бывает крайне необходимо для удаления, например, нефтепарафиновый отложений со стенок обсадной колонны.
Еще одним существенным недостатком являются частые отказы в работе гидравлического якорного устройства, которые происходят из-за засорения гибкого шланга высокого давления то частицами твердой фазы, имеющимися в промывочной жидкости, то окалиной или продуктами коррозии бурового инструмента. Такому засорению в большей степени способствует еще и то, что проходное сечение гибкого шланга высокого давления очень мало, а вся гидравлическая система подачи рабочей жидкости в гидромеханический узел крепления выполнена замкнутой.
Еще одним недостатком является то, что компоновка по прототипу, имеющая замкнутую гидравлическую систему якорения, исключает возможность ориентирования относительно сторон света клина-отклонителя и закрепления компоновки с использованием телеметрических систем ориентирования, работающих с гидравлическим каналом связи.
Новый технический результат, который достигается при использовании изобретения, состоит в том, что заявляемая компоновка при эксплуатации:
- позволяет непосредственно во время ее спуска в скважину при необходимости производить промывку ствола скважины;
- позволяет первоначально обеспечить предварительное крепление клина-отклонителя гидравлическим цанговым якорем гидромеханического узла крепления в любом интервале обсадной колонны без создания осевой опоры;
- позволяет использовать гидравлически сообщающиеся между собой внутренние каналы и внутренние полости элементов компоновки в качестве канала подачи рабочей жидкости в гидромеханический узел крепления клина-отклонителя, исключив гибкий шланг высокого давления;
- позволяет производить пространственную ориентацию клина-отклонителя после его предварительного крепления в заданном интервале обсадной колонны как кабельными системами наведения, так и системами наведения с гидроканалом;
- позволяет повысить прочность крепления клина-отклонителя до практически любых требуемых пределов;
- позволяет использовать для промывки ствола скважины при спуске в нее компоновки и для подачи рабочей жидкости в гидромеханический узел крепления штатные насосы буровой установки без создания высоких значений гидравлического давления;
- позволяет исключить засорение ствола скважины после окончательного закрепления клина-отклонителя освободившимися элементами компоновки, исключив необходимость их разбуривания при прорезке бокового «окна» в обсадной колонне.
Указанный технический результат при использовании предлагаемого изобретения достигается тем, что в известную по прототипу компоновку, включающую закрепленный на колонне бурильных труб полый фрезер-райбер, к которому на срезном элементе подвешен клин-отклонитель, снабженный устройством его крепления в обсадной колонне в виде гидромеханического узла с каналом подачи в него рабочей жидкости, введены новые существенные конструктивные признаки, а именно: в полом фрезере-райбере выполнен продольный сквозной канал, между клином-отклонителем и гидромеханическим узлом крепления установлены соединенные между собой механический узел крепления, поворотный узел и пустотелый гибкий соединительный элемент, при этом в механическом и гидромеханическом узлах крепления и в поворотном узле выполнены внутренние осевые сквозные каналы, а в желобной части тела клина-отклонителя выполнен соосный сквозной канал, в который заведен вставной трубопровод для обеспечения гидравлического сообщения полости колонны бурильных труб с внутренним пространством обсадной колонны скважины через гидравлическую насадку.
А также тем, что:
- вставной трубопровод выполнен с возможностью ограниченного продольного перемещения, его верхний конец герметично заведен в продольный сквозной канал полого фрезера-райбера с его нижнего торца и срезным болтом закреплен в нем, а нижний конец такого трубопровода герметично заведен в соосный сквозной канал тела клина-отклонителя;
- механический узел крепления выполнен в виде жестко присоединенного к нижнему концу клина-отклонителя полого направляющего элемента, на наружной поверхности нижней части которого выполнена по меньшей мере одна наклонная плоскость с установленной на ней упорной плашкой, на полый направляющий элемент концентрично установлен с возможностью осевого перемещения кожух плашкодержателя с окном под каждую упорную плашку, кожух плашкодержателя срезным болтом скреплен с полым направляющим элементом, охваченный кожухом нижний конец которого снаружи снабжен гидравлическим уплотнением;
- поворотный узел содержит пустотелый корпус, в котором герметично установлен пустотелый вал, между которыми размещен осевой упорный, например, самоустанавливающийся подшипник, при этом верхний конец пустотелого корпуса поворотного узла жестко соединен с нижним концом кожуха плашкодержателя, а нижний конец пустотелого вала поворотного узла через пустотелый гибкий соединительный элемент связан с гидромеханическим узлом крепления клина-отклонителя;
- гидромеханический узел крепления выполнен в виде гидравлического цангового якоря и содержит с наружной конусной поверхностью полый направляющий корпус, внутрь которого ввернут пустотелый остов с гидравлической насадкой (дросселем) на нижнем конце, снаружи нижней части пустотелого остова герметично закреплена гильза, в кольцевом зазоре между гильзой и пустотелым остовом установлена цанга с герметично заведенным основанием в виде поршня, цанга срезным штифтом соединена с пустотелым остовом, верхние концы цанги выполнены в виде стопорящих плашек с наружными зубцами для крепления в обсадной колонне, внутренние поверхности верхних концов цанги выполнены с возможностью взаимодействия с конусной наружной поверхностью полого направляющего корпуса, в пустотелом остове выполнен подводящий гидравлический радиальный канал;
- в качестве канала подачи рабочей жидкости из колонны бурильных труб в гидромеханический узел крепления клина-отклонителя использованы гидравлически сообщающиеся между собой продольный сквозной канал полого фрезера-райбера, внутренняя полость вставного трубопровода, соосный сквозной канал в теле клина-отклонителя, внутренняя полость присоединенного к нему полого направляющего элемента, внутреннее пространство кожуха плашкодержателя, внутренние каналы пустотелого корпуса и пустотелого вала поворотного узла, внутренние пространства пустотелого гибкого соединительного элемента, полого направляющего корпуса и пустотелого остова гидравлического цангового якоря, а также его подводящий гидравлический радиальный канал;
- для обеспечения вставному трубопроводу ограниченного продольного перемещения в соосном сквозном канале клина-отклонителя выполнен, например, внутренний уступ, а на вставном трубопроводе - наружный выступ;
- пустотелый гибкий соединительный элемент между поворотным узлом и гидромеханическим узлом крепления клина-отклонителя выполнен в виде гибкой трубы;
- пустотелый гибкий соединительный элемент выполнен в виде герметичного пустотелого шарнирного соединения;
- наружная конусная поверхность полого направляющего корпуса гидравлического цангового якоря выполнена с одним или более значениями уклона конуса;
- верхняя часть гидравлической насадки (дросселя), установленной на нижнем конце пустотелого остова гидромеханического узла крепления, выполнена в виде гнезда под сбрасываемый сверху запорный элемент.
Указанные выше новые существенные конструктивные признаки предлагаемой компоновки являются отличительными признаками заявляемого изобретения по отношению к компоновке, известной по прототипу.
Из общедоступных источников научно-технической и патентной информации нам не известны компоновки инструментов для прорезки бокового «окна» в обсадной колонне скважины, которые вместе с известными существенными признаками включали бы в себя указанные выше новые отличительные существенные признаки, предложенные в заявляемой компоновке, что свидетельствует о ее соответствии критерию «новизна».
Известные и новые отличительные существенные признаки в совокупности обеспечивают заявляемому изобретению достижение нового технического результата, изложенного выше.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена заявляемая компоновка инструментов для прорезки бокового «окна» в обсадной колонне скважины в транспортном положении, продольный разрез. На фиг.2 дан вариант соединения поворотного узла Б с гидромеханическим узлом крепления В клина-отклонителя, в котором пустотелый гибкий соединительный элемент выполнен в виде герметичного пустотелого шарнирного соединения, продольный разрез.
Предлагаемая компоновка включает в себя закрепленный на нижнем конце колонны бурильных труб полый фрезер-райбер 1, к которому на срезном элементе 2 подвешен клин-отклонитель 3. В желобной части тела клина-отклонителя 3 выполнен соосный сквозной канал 4, в котором с возможностью ограниченного продольного перемещения размещен вставной трубопровод 5. Верхний конец вставного трубопровода 5 герметично заведен в продольный сквозной канал 6 полого фрезера-райбера 1 с его нижнего торца и срезным болтом 7 закреплен в нем. Нижний конец такого трубопровода 5 герметично заведен в соосный сквозной канал 4 клина-отклонителя 3. Для обеспечения вставному трубопроводу 5 ограниченного продольного перемещения в соосном сквозном канале 4 клина-отклонителя 3 может быть выполнен, например, внутренний уступ а, а на вставном трубопроводе 5 - наружный выступ б.
Устройство крепления клина-отклонителя 3 в обсадной колонне выполнено в виде двух отдельных друг от друга узлов: механического А и гидромеханического В, между которыми установлен поворотный узел Б.
Механический узел крепления А выполнен в виде жестко присоединенного к нижнему концу клина-отклонителя 3 полого направляющего элемента 8, на наружной поверхности нижней части которого выполнена по меньшей мере одна наклонная плоскость 9 с установленной на ней упорной плашкой 10. На полый направляющий элемент 8 концентрично установлен с возможностью осевого перемещения кожух плашкодержателя с окном под каждую упорную плашку 10. Кожух плашкодержателя 11 срезным болтом 12 скреплен с полым направляющим элементом 8, охваченный кожухом 11 нижний конец которого снаружи снабжен гидравлическим уплотнением 13.
Поворотный узел Б установлен на нижнем конце кожуха плашкодержателя 11 и содержит жестко закрепленный с концом указанного кожуха 11 пустотелый корпус 14 с герметично установленным в нем пустотелым валом 15, между которыми размещен осевой упорный, например, самоустанавливающийся подшипник 16. Нижний конец пустотелого вала 15 поворотного узла Б через пустотелый гибкий соединительный элемент 17 связан с гидромеханическим узлом крепления В клина-отклонителя 3.
Пустотелый гибкий соединительный элемент 17 может быть выполнен в виде гибкой трубы 17 (фиг.1) или, например, в виде герметичного пустотелого шарнирного соединения 17-а (фиг.2).
Гидромеханический узел крепления В выполнен в виде гидравлического цангового якоря и содержит полый направляющий корпус 18, верхний конец которого жестко связан с нижним концом пустотелого гибкого соединительного элемента 17. Наружная поверхность полого направляющего корпуса 18 выполнена конусной, которая может иметь один или более значения уклона конуса. Внутрь полого направляющего корпуса 18 ввернут пустотелый остов 19 с гидравлической насадкой 20 (дросселем) на нижнем конце. Верхняя часть гидравлической насадки 20 может быть выполнена в виде гнезда под сбрасываемый сверху запорный элемент (на чертеже не обозначено). Снаружи нижней части пустотелого остова 19 герметично закреплена гильза 21. В кольцевом зазоре между гильзой 21 и пустотелым остовом 19 установлена цанга 22 с герметично заведенным основанием 23 в виде поршня. Цанга 22 срезным штифтом 24 соединена с пустотелым остовом 19. Верхние концы цанги 22 выполнены в виде стопорящих плашек 25 с наружными зубцами для крепления в обсадной колонне. Внутренние поверхности верхних концов цанги 22 выполнены с возможностью взаимодействия с конусной наружной поверхностью полого направляющего корпуса 18. В пустотелом остове 19 выполнен подводящий гидравлический радиальный канал 26.
Подачу рабочей жидкости в гидромеханический узел крепления В клина-отклонителя 3 производят из колонны бурильных труб. В качестве канала подачи рабочей жидкости используют гидравлически сообщающиеся между собой продольный сквозной канал 6 полого фрезера-райбера 1, внутреннюю полость вставного трубопровода 5, соосный сквозной канал 4 в теле клина-отклонителя 3, внутреннюю полость присоединенного к нему полого направляющего элемента 8, внутреннее пространство кожуха плашкодержателя 11, внутренние каналы пустотелого корпуса 14 и пустотелого вала 15 поворотного узла Б, внутренние пространства пустотелого гибкого соединительного элемента 17, полого направляющего корпуса 18 и пустотелого остова 19 гидравлического цангового якоря, а также его подводящий гидравлический радиальный канал 26.
Предлагаемая компоновка используется следующим образом. Собранную на мостках буровой установки компоновку на колонне бурильных труб спускают в скважину в заданный интервал вырезки «окна» в обсадной колонне.
При необходимости при спуске компоновки производят промывку скважины, например, от асфальтосмолопарафиновых отложений. Для промывки включают насос буровой установки на ограниченную производительность.
При промывке скважины во время спуска компоновки поток рабочей жидкости из колонны бурильных труб в скважину проходит через полый фрезер-райбер 1, вставной трубопровод 5, соосный сквозной канал 4, полый направляющий элемент 8, кожух 11, пустотелый корпус 14, пустотелый вал 15, пустотелый гибкий соединительный элемент 17, полый направляющий корпус 18, пустотелый остов 19 и через гидравлическую насадку (дроссель) 20.
По достижении заданной глубины спуска компоновки производительность насоса буровой установки повышают по сравнению с тем, что было при промывке скважины. За счет увеличения перепада давления на гидравлической насадке 20 подаваемая буровым насосом рабочая жидкость, пройдя через указанные выше внутренние каналы и внутренние полости компоновки, поступает через подводящий гидравлический радиальный канал 26 и давит на поршневое основание 23 цанги 22, в результате чего срезается штифт 24 и цанга 22 движется вверх. Если перепад давления на насадке 20 не достигает требуемой величины, например, по причине малой производительности бурового насоса или из-за утечек в резьбовых соединениях колонны бурильных труб, тогда в скважину сверху сбрасывают запорный элемент (на чертеже не обозначено), который перекрывает проходной канал в гидравлической насадке 20, увеличивая тем самым перепад давления. При движении цанги 22 вверх от взаимодействия внутренних поверхностей верхних концов цанги 22 с конусной наружной поверхностью полого направляющего корпуса 18 стопорящие плашки 25 выдвигаются и входят в сцепление с внутренней поверхностью обсадной колонны, закрепляя компоновку в заданном интервале скважины элементами гидравлического цангового якоря гидромеханического узла крепления В, не требуя для этого создания осевой опоры.
Используемые при этом гидравлически сообщающиеся между собой внутренние каналы и внутренние полости компоновки в качестве канала подачи рабочей жидкости в гидромеханический узел крепления имеют значительно большие проходные сечения, чем шланг высокого давления в прототипе, что упрощает работу при использовании компоновки.
После закрепления компоновки элементами гидравлического цангового якоря в заданном интервале обсадной колонны осуществляют пространственную ориентацию клина-отклонителя 3 с устья скважины путем поворота вокруг продольной оси той части компоновки, в которой размещен клин-отклонитель 3, что позволяет осуществить наличие в заявляемой компоновке поворотного узла Б.
Пространственную ориентацию, отключив насос, можно производить с кабельной системой навигации и возможно использовать систему навигации с гидроканалом при сохранении циркуляции рабочей жидкости.
После того, как закрепленный в обсадной колонне клин-отклонитель 3 будет соориентирован в направлении намечаемого для прорезки бокового «окна», на него разгружают часть веса колонны бурильных труб. При этом путем механического осевого нагружения происходит докрепление стопорящих плашек 25 гидромеханического узла крепления В в обсадной колонне скважины.
Дальнейшей разгрузкой веса колонны бурильных труб срезается болт 12, выдвигается упорная плашка 10 (или плашки 10) в механическом узле крепления А, окончательно закрепляя клин-отклонитель 3 в обсадной колонне.
Последующей большей по величине разгрузкой колонны бурильных труб окончательно докрепляется упорная плашка 10 (или плашки 10) механического узла крепления А и срезной элемент 2 срезается, освобождая полый фрезер-райбер 1 от клина-отклонителя 3.
После этого производят натяжку колонны бурильных труб вверх, при этом наружный выступ б на вставном трубопроводе 5 упирается во внутренний уступ а соосного сквозного канала 4, в результате чего срезной болт 7 срезается, освобождая полый фрезер-райбер 1 от вставного трубопровода 5. Освободившийся от крепления вставной трубопровод 5 под собственным весом самопроизвольно падает во внутрь соосного сквозного канала 4 в тело клина-отклонителя 3, чем исключает захламление ствола скважины и освобождает от необходимости разбуривать его при вырезке бокового «окна» в обсадной колонне.
Поступательным перемещениям полого фрезера-райбера 1 вниз по наклонной поверхности клина-отклонителя 3 с одновременным его вращением осуществляют вырезку бокового «окна» в стенке обсадной колонны скважины.