ОТКЛОНЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАБУРИВАНИЯ БОКОВЫХ СТВОЛОВ ИЗ СКВАЖИНЫ
DEFLECTING DEVICE FOR DRILLING OF BRANCH HOLES

Изобретение относится к области бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин, а именно для забуривания боковых стволов из ранее пробуренных обсаженных и необсаженных скважин.
Известен гидравлический отклонитель (пат. RU 2311522, МПК Е21В 7/08, oп. 27.11.07 г. Бюл. №33), содержащий клин-отклонитель с наклонной рабочей поверхностью, режущий инструмент, закрепленный на клине срезным болтом, шланг высокого давления для гидравлической связи режущего инструмента с узлом опоры (гидравлическим пакером).
Известное устройство не обеспечивает надежного закрепления его в скважине, особенно в открытом стволе, так как площадь плашек нельзя увеличивать до бесконечности, что конструктивно неоправданно, а их выход в рабочее положение ограничен, вследствие этого не будет достигнуто достаточное сцепление плашек со стенкой скважины и клин-отклонитель под действием осевых нагрузок будет смещаться с места установки, что может привести к тяжелой аварии и даже к потере основного ствола скважины. Резиновые пакерующие элементы хорошо герметизируют зазор между отклонителем и стенкой скважины, но из-за своей эластичности не выдерживают осевых и тангенциальных нагрузок, возникающих при работе режущего инструмента и осевых ударных нагрузок при спуско-подъемных операциях бурильного инструмента и хвостовика при креплении бокового ствола. Другим недостатком гидравлического отклонителя является конструкция отсоединительного устройства со срезным болтом, который выполнен сплошным и воспринимает на себе вес клина-отклонителя и все осевые и тангенциальные нагрузки, возникающие в процессе спуска, ориентирования и установки отклонителя. После установки клина-отклонителя в расчетном интервале необходимо разрушить срезной болт осевой нагрузкой, созданной весом колонны бурильных труб. В вертикальных скважинах, когда клин-отклонитель устанавливается на большой глубине, такая конструкция срабатывает, но с появлением необходимости забуривания боковых стволов на возвратные горизонты с малым радиусом кривизны и строительства скважин сложной архитектуры, когда дополнительные стволы необходимо забуривать на небольшой глубине, или из горизонтального участка наклонно направленных скважин, имеющих перегибы ствола, то отсоединительное устройство представленной конструкции не срабатывает, т.к. веса колонны бурильных труб может не хватить для разрушения срезного болта, а в горизонтальных участках силы трения препятствуют полной передаче осевой нагрузки на срезной болт. При доставке клина-отклонителя в интервал установки в местах резкого перегиба ствола скважины возникают большие осевые нагрузки, которые могут привести к преждевременному разрушению срезного болта. В горизонтальных участках, когда клин-отклонитель движется по нижней стенке скважины и собирает впереди себя буровой шлам, также возрастают осевые нагрузки на срезной болт, способные привести к его преждевременному разрушению. При ориентировании клина-отклонителя по азимуту в горизонтальных участках скважины, когда он лежит на нижней стенке скважины, возникают большие тангенциальные нагрузки, которые также могут привести к разрушению срезного болта и, как следствие, невозможности установки клина-отклонителя и даже к потере ствола скважины из-за невозможности его извлечения. Аварийные ситуации, перечисленные выше, ведут к увеличению сроков строительства скважин и их стоимости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для забуривания боковых стволов из обсаженной скважины (пат. RU 2263196, МПК 7 Е21В 7/08, oп. 27.10.05 г. Бюл. №30), включающее отклоняющий клин с закрепляющим механизмом в виде гофрированной трубы, один конец которой заглушен, между которыми размещен переводник, подвижное соединение между переводником и клином, режущий инструмент, канал для подачи жидкости в полость гофрированной трубы выполнен в виде размещенного в отклоняющем клине гидропровода, связывающего полость бурильных труб и полость режущего инструмента, прикрепленного к верхней части отклоняющего клина посредством срезного болта, с полостью гофрированной трубы.
Недостатками устройства являются:
- сложность создания надежного соединения гидропровода через срезной болт и тело клина-отклонителя из-за недостаточной толщины клина в верхней части, что снизит надежность устройства и приведет к аварии, увеличив стоимость строительства скважин;
- низкая надежность работы узла отклонения «головы» клина к стенке скважины и его фиксации в таком положении, особенно в горизонтальных участках наклонно направленных и многозабойных скважин из-за малого плеча приложения отклоняющей силы в нижней части клина и, как следствие, малого усилия отклонения клина к стенке скважины, невозможности удержания его в таком положении в течение всего цикла строительства дополнительного ствола скважины, что ограничивает диапазон ориентирования клина-отклонителя по азимуту основного ствола скважины в пределах ±45° от нижней его стенки. Это в свою очередь ведет к усложнению профиля бокового ствола, увеличивая его длину, создает проблемы при доведении обсадного хвостовика до забоя из-за его большей жесткости по сравнению с бурильной колонной и соответственно к удорожанию строительства бокового ствола;
- высока вероятность аварийных ситуаций из-за неконтролируемого усилия отсоединения, а также отсутствия элементов устройства, позволяющих произвести аварийное отсоединение режущего инструмента от клина при возникновении внештатных ситуаций при установке клинового отклонителя в скважине;
- узкая область применения, связанная с невозможностью использования отсоединительного устройства данной конструкции в скважинах со сложным профилем из-за того, что при натяжении бурильной колонны она стремится принять прямолинейное положение и заклинивается на перегибах ствола скважины за счет утолщений в замковых соединениях, не позволяя контролировать величину осевой нагрузки, приходящейся на срезной болт и приводящей к невозможности отсоединения режущего инструмента от клина.
Техническими задачами настоящего изобретения являются:
- увеличение области применения за счет возможности использования в скважинах со сложным профилем;
- увеличение надежности работы устройства в горизонтальных участках наклонно направленных и многозабойных скважин из-за отсоединения режущего инструмента от клина давлением жидкости и механической силы пружины, снижения вероятности аварийных ситуаций за счет дублирования способов отсоединения режущего инструмента, благодаря установке срезного элемента перпендикулярно верхней отклоняющей поверхности клина и оснащения срезного элемента кольцевым концентратором напряжения, расположенным ниже отклоняющей поверхности клина, что в совокупности позволит сократить сроки и снизить стоимость строительства скважин сложной архитектуры со сложным профилем стволов.
Техническая задача решается клиновым отклонителем для забуривания боковых стволов из скважины, включающим отклоняющий клин с закрепляющим механизмом в виде гидравлического якоря с рабочей полостью, между которыми размещен переводник, узел отклонения и фиксации клина, установленный в переводнике, поворотное соединение между переводником и клином, канал для подачи жидкости, связывающий полость бурильных труб и полость режущего инструмента с рабочей полостью якоря, режущий инструмент, прикрепленный к верхней части отклоняющего клина посредством отсоединительного устройства со срезным элементом.
Новым является то, что срезной элемент расположен перпендикулярно верхней отклоняющей поверхности клина и оснащен кольцевым концентратором напряжения, расположенным ниже отклоняющей поверхности клина, и двухступенчатой цилиндрической полостью, большая из которых оснащена кольцевой выборкой с фасками со стороны режущего инструмента, который снабжен цилиндром, сообщенным с полостью, а отсоединительное устройство выполнено в виде поршня, вставленного в цилиндр с возможностью ограниченного перемещения в сторону срезного элемента и зафиксированного в транспортном положении замковым механизмом, открывающимся при давлении, превышающем давление закрепления гидравлического якоря в стволе скважины, при этом поршень оснащен выступом, состоящим из цилиндрической части, переходящей в сторону срезного элемента в расширяющийся конус с цилиндрическим упором меньшего диаметра, чем внутренний диаметр цилиндрической полости срезного элемента, причем снаружи выступа размещена подпружиненная от поршня обойма с шариками, выполненными с возможностью ограниченного перемещения внутрь цилиндрической части между упором выступа и поршнем, причем шарики выполнены с возможностью взаимодействия с конусом выступа в транспортном положении и цилиндрической его частью при перемещении обоймы внутрь срезного элемента, торец срезного элемента оснащен внутренней фаской с возможностью взаимодействия с шариками обоймы снаружи при установке выступа поршня внутрь элемента, а его кольцевая проточка выполнена с возможностью взаимодействия с шариками в транспортном положении, торец между ступенями цилиндрической полости - с обоймой при отсоединении, при этом между выступом поршня и внутренним торцом цилиндрической полости установлен пружинный толкатель.
На фиг.1 показан общий вид устройства с разрезами, на фиг.2 - узел соединения режущего инструмента с клином и отсоединительное устройство в транспортном положении, на фиг.3 - узел соединения режущего инструмента с клином и отсоединительное устройство в процессе отсоединения режущего инструмента от клина.
Устройство состоит из отклоняющего клина 1 (фиг.1), переводника 2, гидравлического якоря 3, выполненного, например, в виде профильной трубы, гидравлического якоря или пакера (см. патенты RU 2166058, RU 2164282, US 5113938, US 5816324). Клин 1 шарнирно соединен с переводником 2 осью 4. В переводнике 2 установлен узел отклонения и фиксации клина (фиг.3), выполненный аналогично (см. патент RU 2366793). Выше клина 1 установлены: режущий инструмент 5 в виде компоновки фрез, перепускной клапан, трубный фильтр, связанные с бурильными трубами (на фиг.1 не показаны), соединенные механически с клином 1 при помощи отсоединительного устройства в виде срезного болта 6. Канал для подачи жидкости из бурильных труб через режущий инструмент 5 переводник 2 в полость гидравлического якоря 3 выполнен в виде трубки высокого давления 7. Направляющий желоб клина 1 состоит из двух отклоняющих поверхностей: верхней 8 и основной 9.
Срезной болт 6 оснащен наружной кольцевой проточкой 10 (фиг.2), расположенной ниже отклоняющей поверхности 8 клина 1 и двухступенчатой цилиндрической полостью 11, большая из которых оснащена кольцевой выборкой 12 (фиг.2 и 4) с фасками 13 со стороны режущего инструмента 5 (фиг.2 и 3), который снабжен цилиндром 14, сообщенным с полостью 15, а отсоединительное устройство выполнено в виде поршня 16, вставленного в цилиндр 14 с возможностью ограниченного перемещения в сторону срезного элемента 6 и зафиксированного в транспортном положении замковым механизмом 17, открывающимся при давлении, превышающем давление закрепления гидравлического якоря 3 (фиг.1) в стволе скважины (на фиг.1 не показана), при этом поршень 16 (фиг.2 и 3) оснащен выступом 18, состоящим из цилиндрической части 19 (фиг.3 и 4), переходящей в сторону срезного элемента 6 в расширяющийся конус 20 с цилиндрическим упором 21 меньшего диаметра, чем внутренний диаметр цилиндрической полости 11 срезного элемента 6. Причем снаружи выступа 18 размещена подпружиненная от поршня 16 обойма 22 с шариками 23, выполненными с возможностью ограниченного перемещения внутрь цилиндрической части 19 между упором 21 выступа 18 и поршнем 16, причем шарики 23 выполнены с возможностью взаимодействия с конусом 20 выступа в транспортном положении и цилиндрической его частью 19 при перемещении обоймы 22 внутрь срезного элемента 6, торец 24 срезного элемента 6 оснащен внутренней фаской 25 с возможностью взаимодействия с шариками 23 обоймы 22 снаружи при установке выступа 18 поршня 16 внутрь элемента 6, а его кольцевая выборка 12 выполнена с возможностью взаимодействия с шариками 23 в транспортном положении, торец 26 между ступенями цилиндрической полости 11 - с обоймой 22 при отсоединении, при этом между выступом 18 поршня 16 и внутренним торцом 27 цилиндрической полости 11 срезного элемента 6 установлен пружинный толкатель 28, который может быть зафиксирован на выступе 18 поршня 16, например, пайкой, сваркой, механическим креплением и т.п. (на фиг.2 и 3 - не показано).
Технические соединительные элементы для упрощения чертежей и описания на фигурах 1-4 не показаны.
Устройство работает следующим образом.
Сборку отсоединительного устройства осуществляют в следующей последовательности. В цилиндр 14 (фиг.2 и 3) режущего инструмента 5 (фрезу оконную) устанавливают поршень 16 с выступом 18, на котором размещена подпружиненная обойма 22 с шариками 23, и установленным, и закрепленным пружинным толкателем 28, и фиксируют его при помощи замкового механизма 17 в транспортном положении. Затем цилиндр 14 заглушают пробкой 29 с внутренней полостью 15, которую фиксируют одним из известных способов: на резьбе, сваркой и т.п. (на фиг.2 и 3 - не показано). Сверлением соединяют промывочный канал 30 режущего инструмента 5 с полостью 15. Устанавливают конус 31 режущего инструмента 5 и закрепляют его сваркой, клеем, пайкой и т.п. (на фиг.2 и 3 - не показано). В верхнем отверстии клина 1 устанавливают срезной элемент 6 и фиксируют его одним из известных способов: сваркой, пайкой, зачеканиванием и т.п. (на фиг.2 и 3 - не показано). Устанавливают клин 1 на прессе. На срезной элемент 6 устанавливают режущий инструмент 5 (фрезу оконную) и создают нагрузку по оси срезного элемента 6. Режущий инструмент 5 движется в сторону клина 1, сжимая пружинный толкатель 28 выступом 18 поршня 16, который зафиксирован в транспортном положении замковым механизмом 17. Шарики 23, установленные в обойме 22 с возможностью перемещения и закрепленные от выпадения, например, зачеканенные, под действием внутренней фаски 25 торца 24 срезного элемента 6 перемещаются внутрь цилиндрической части 19 выступа 18 и проходят с обоймой 22 внутрь срезного элемента 6, достигая кольцевой выборки 12, занимают исходное положение, при этом подпружиненная обойма 22 упирается в торец 26 между ступенями цилиндрической полости 11 и не движется дальше. При достижении режущим инструментом 5 отклоняющей поверхности 8 клина 1 снимают осевую нагрузку. Режущий инструмент 5 под действием пружинного толкателя 28 с зафиксированным в транспортном положении поршнем 16 начинает отодвигаться от клина 1. Расширяющийся конус 20 выступа 18 поджимает шарики 23 к фаске 13 выборки 12 срезного элемента 6, надежно закрепляя режущий инструмент 5 на клине 1. Предлагаемая технология сборки режущего инструмента 5 с клином 1 позволяет исключить человеческий фактор, который присутствует при соединении режущего инструмента с клином при помощи срезного болта, когда натяг между соединяемыми деталями, создаваемый резьбовым соединением, может привести к преждевременному разрушению срезного элемента в процессе спуска отклоняющего устройства в скважину.
На мостках буровой установки собирают клиновой отклонитель в следующей последовательности: клин 1 (фиг.1), шарнирно соединенный с переводником 2 осью 4, соединяют с гидравлическим якорем 3, например, при помощи резьбы или сваркой, и на элеваторе спускают в скважину (на фиг.1 - не показан). К режущему инструменту 5 присоединяют бурильную трубу с установленным в ней трубным фильтром, а над ними - перепускной клапан (на фиг.1 - не показаны). Собранную компоновку на колонне бурильных труб спускают в скважину на заданную глубину и ориентируют клиновой отклонитель, например, с помощью инклинометра или гироскопа (на фиг.1 не показаны), в заданном направлении. При спуске через перепускной клапан происходит заполнение полости режущего инструмента 5, бурильных труб и гидравлического якоря 3 рабочей жидкостью, находящейся в скважине, предотвращая их смятие под действием давления столба жидкости. Трубный фильтр задерживает крупные частицы загрязнений, попадающие в полость бурильных труб через перепускной клапан, предотвращая загрязнение трубки высокого давления 7 (фиг.1). Во время спуска, связанного с периодичностью спуска и остановки колонны бурильных труб на клиньях ротора для наращивания бурильных труб, в их полости возникают гидравлические удары, передающиеся через полость 15 (фиг.2) в цилиндр 14 режущего инструмента 5 и воздействующие на поршень 16. С целью исключения несанкционированного отсоединения режущего инструмента 5 от клина 1 установлен замковый механизм 17 (например, срезной винт, стопор, подпружиненная призма и т.п.), который в процессе спуско-подъемных операций удерживает поршень 16 на месте.
Насосом с поверхности земли создают давление рабочей жидкости в полости бурильных труб, которое через режущий инструмент 5 (фиг.1) по трубке высокого давления 7 через переводник 2 передается в гидравлический якорь 3, приводя его в рабочее положение и надежно закрепляя в стволе скважины. Натяжением колонны бурильных труб с расчетным усилием проверяют надежность установки клинового отклонителя. Затем созданием давления, превышающего давление закрепления гидравлического якоря 3, открывают замковый механизм 17 (например, разрушают срезной винт) (фиг.2 и 3), и поршень 16 перемещается в цилиндре 14 режущего инструмента 5 в сторону срезного элемента 6, сжимая пружинный толкатель 28. При этом обойма 22 остановится на упоре 26, а шарики 23 под действием реакции фаски 13 кольцевой проточки 12 сдвигаются внутрь цилиндрической части 19 выступа 18 поршня 16. Давление жидкости в цилиндре 14 отталкивает режущий инструмент 5 от клина 1, а пружинный толкатель 28, упираясь на внутренний торец 27 цилиндрической полости 11 срезного элемента 6, отталкивает поршень 16, который, захватывая кольцевым упором 21 выступа 18 обойму 22 с шариками 23, выходит из зацепления со срезным элементом 6. Режущий инструмент 5 под действием пружинного толкателя 28 отходит к противоположной стенке скважины, выходя из зацепления с клином 1. Снижение веса инструмента, находящегося в скважине, показывает, что произошло отсоединение режущего инструмента 5 от клина 1 (фиг.1). Натяжением колонны бурильных труб разрушают трубку высокого давления 7, сообщая внутреннюю полость бурильных труб, промывочный канал 30 и полость 15 (фиг.2 и 3) режущего инструмента 5 со стволом скважины для промывки скважины. В случае каких-либо осложнений в скважине (например, засорилась полость бурильных труб окалиной или упавшим металлическим предметом) и невозможности отсоединения режущего инструмента 5 от клина 1 описанным способом, отсоединение производят разрушением срезного элемента 6 по кольцевому концентратору напряжений 10 натяжением колонны бурильных труб с расчетным усилием, не превосходящим грузоподъемность буровой установки. Затем придают вращение колонне бурильных труб, восстанавливают циркуляцию промывочной жидкости из скважины и производят вырезание «окна» в стенке обсадной колонны движением режущего инструмента 5 по отклоняющей поверхности 9 клина 1. В процессе вырезания «окна» кольцевой концентратор напряжений 10 срезного элемента 6 способствует его быстрейшему разрушению, сохранению работоспособности режущего инструмента 5 и ускорению процесса вырезания «окна» в стенке обсадной колонны и забуривания бокового ствола.
В совокупности все это позволяет увеличить области его применения за счет возможности использования в скважинах со сложным профилем и обеспечивает повышение надежности работы устройства и исключения аварийных ситуаций при установке клина-отклонителя в горизонтальных участках наклонно направленных и многозабойных скважин, связанных с малым сопротивлением усилию разрушения срезных элементов, и невозможности доставки устройства в интервал установки, а также невозможности отсоединения режущего инструмента от клина из-за недохождения осевой нагрузки до срезного элемента в скважинах с резкими перегибами или сложным профилем ствола, что в совокупности позволит сократить сроки и снизить стоимость строительства скважин сложной архитектуры со сложным профилем стволов.