УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАБУРИВАНИЯ БОКОВЫХ СТВОЛОВ ИЗ СКВАЖИНЫ
SIDE HOLE DRILLING DEVICE

Изобретение относится к области бурения и капитального ремонта газонефтяных скважин и предназначено для забуривания боковых стволов из ранее пробуренных обсаженных и необсаженных скважин.
Известен гидравлический отклонитель (пат.RU 2311522, МПК Е21В 7/08, опубл. 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 себя 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, опубл. 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, что связано с расположением срезного болта не перпендикулярно отклоняющей поверхности клина (т.к. оно перпендикулярно оси устройства), что приводит к изгибанию срезного болта, а не к его срезу;
- 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 приводящая 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 снижения вероятности аварийных ситуаций за счет установки срезного болта перпендикулярно верхней отклоняющей поверхности клина и наличия двух кольцевых проточек на его поверхности, что в совокупности позволит снизить стоимость строительства скважин сложной архитектуры, в том числе и разветвленно-горизонтальных.
Техническая задача решается устройством 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 болтом.
Новым является то, что режущий инструмент оснащен цилиндром, а отсоединительное устройство выполнено в виде поршня, установленного в цилиндре и жестко соединенного со срезным болтом, который расположен перпендикулярно верхней отклоняющей поверхности клина и имеет кольцевые проточки, одна из которых расположена ниже поверхности клина, а другая в корпусе режущего инструмента, причем поршень зафиксирован в транспортном положении стопором, рассчитанным на усилие отсоединения режущего инструмента от клина при давлении, превышающем давление закрепления гидравлического якоря в стволе скважины.
На фиг.1 показан общий вид устройства с разрезами, на фиг.2 - узел соединения режущего инструмента с клином и отсоединительное устройство.
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 (на фиг.1 не показаны), выполненный аналогично (см. патент RU 2366793). Выше клина 1 установлены: режущий инструмент 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 со срезным болтом 5, и режущий инструмент 6. Канал для подачи жидкости из бурильных труб через режущий инструмент 6 в полость якоря 3 выполнен в виде трубки высокого давления 7. Направляющий желоб клина 1 состоит из двух отклоняющих поверхностей: верхней 8 и основной 9.
Режущий инструмент 6 оснащен цилиндром 10 (фиг.2), а отсоединительное устройство выполнено в виде поршня 11, установленного в цилиндре 10 и жестко соединенного со срезным болтом 5 (например, резьбой) через отверстие 15 в корпусе режущего инструмента 6, который расположен перпендикулярно верхней отклоняющей поверхности 8 клина 1 и имеет кольцевые проточки 12 и 13 (форма проточек и их глубина выбираются из требуемого усилия разрушения болта 5), одна 12 из которых расположена ниже поверхности клина 1, а другая 13 - в корпусе режущего инструмента 6, причем поршень 11 зафиксирован в транспортном положении стопором 14, рассчитанным на усилие отсоединения режущего инструмента 6 от клина 1 при давлении, превышающем давление закрепления гидравлического якоря 3 (фиг.1) в стволе скважины (на фиг.1 не показана).
Устройство работает следующим образом.
Собранное на мостках буровой установки предлагаемое устройство на колонне бурильных труб, соединенных через перепускной клапан с режущим инструментом 6 (фиг.1), спускают в скважину на заданную глубину и ориентируют его, например, с помощью инклинометра или гироскопа (на фиг.1 не показаны) в нужном направлении. При спуске через перепускной клапан происходит заполнение полости компоновки фрез, 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 в цилиндр 10 (фиг.2) режущего инструмента 6. С целью исключения несанкционированного отсоединения режущего инструмента 6 от клина 1 установлен стопор 14 (например, срезной элемент, подпружиненный шар или призма и т.п.), который конструктивно может быть расположен в любом месте корпуса режущего инструмента 6.
Насосом с поверхности земли создают давление рабочей жидкости в полости бурильных труб, режущего инструмента 6, которое через трубку высокого давления 7 передается в гидравлический якорь 3, приводя его в рабочее положение и надежно закрепляя в стволе скважины. Натяжением колонны бурильных труб проверяют надежность установки клина-отклонителя. Затем созданием давления, превышающего давление закрепления гидравлического якоря 3, разрушают (срезают) стопор 14 (фиг.2) и срезной болт 5 по проточке 13 поршнем 11, который перемещается в цилиндре 10 режущего инструмента 6 в крайнее верхнее положение. При этом режущий инструмент 6 под действием давления жидкости перемещается по наклонной поверхности срезного болта 5 в сторону от клина 1, вследствие чего происходит его отсоединение от клина 1, разрушение трубки высокого давления 7 (фиг.1) и открытие отверстия 15. Открытие этих отверстий сообщает внутреннюю полость бурильных труб со стволом скважины. При вырезании «окна» и забуривании бокового ствола суммарная площадь этих отверстий обеспечивает прокачивание достаточного объема промывочной жидкости и поддержание скорости восходящего потока, уносящего металлические опилки, частицы цемента и горной породы из зоны вырезания «окна» и забуривания бокового ствола, чего нет в других аналогичных устройствах.
Выполнение отсоединительного устройства в виде поршня 11, установленного в цилиндре 10 режущего инструмента 6, позволяет применить в конструкции клина-отклонителя срезной болт 5 с большим сопротивлением усилию среза и производить отсоединение режущего инструмента 6 (фиг.1) от клина 1 под действием давления жидкости, а кольцевая проточка 12 (фиг.2) срезного болта 5, расположенная ниже поверхности клина 1, в случае аварийной ситуации, когда отсоединение режущего инструмента 6 от клина 1 под действием давления не произошло, служит концентратором, по которому происходит разрушение срезного болта 5 с расчетной нагрузкой, не превышающей грузоподъемность буровой установки, за счет натяжения колонны бурильных труб. Также в процессе фрезерования оставшейся части срезного болта 5, после отсоединения режущего инструмента 6 от клина 1 по проточке 13 поршнем 11, кольцевая проточка 12 способствует его быстрейшему разрушению, сохранению режущего инструмента 6 и ускорению процесса вырезания «окна» и забуривания бокового ствола.
Все это обеспечивает повышение надежности работы устройства и исключение аварийных ситуаций при установке клина-отклонителя в горизонтальных участках наклонно направленных и многозабойных скважин, связанных с малым сопротивлением усилию среза срезных болтов и невозможности доставки устройства в интервал установки, а также невозможности отсоединения режущего инструмента из-за недохождения осевой нагрузки до срезного болта в скважинах с резкими перегибами или сложным профилем ствола, что в совокупности позволит сократить сроки и снизить стоимость строительства скважин сложной архитектуры, в том числе и разветвленно-горизонтальных.