СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗОЛЯЦИИ ЗОН ОСЛОЖНЕНИЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ ПРОФИЛЬНЫМ ПЕРЕКРЫВАТЕЛЕМ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ УЧАСТКАМИ
METHOD AND DEVICE FOR ISOLATION OF TROUBLESOME ZONES WHEN DRILLING WELLS WITH SHAPED SHUTTER WITH CYLINDRICAL SECTIONS

Изобретение относится к бурению и ремонту нефтяных и газовых скважин, в частности для изоляции зон осложнения бурения скважин.
Известен «Способ и устройство для изоляции зон осложнения бурения скважины» (а.с. №1712581, МПК Е21В 29/10, 33/13, опубл. Бюл. №6 от 15.02.92 г.).
Способ, осуществляемый с помощью этого устройства, включает спуск перекрывателя, имеющего цилиндрические участки и резьбовые соединения, в зону осложнения бурения с помощью установочного оборудования, расширение профильных участков перекрывателя созданием в нем гидравлического давления до прижатия их стенок к стенкам скважины, раздачу цилиндрических участков с резьбовыми соединениями и калибровку профильных участков путем вальцевания (см. описание изобретения к а.с. №1712581).
Устройство для изоляции зон осложнения бурения скважин (по указанному авт. св-ву) включает профильный перекрыватель с цилиндрическими участками и резьбовыми соединениями, дорнирующую головку, состоящую из нескольких секций, установленных ступенчато с уменьшающимися по диаметру в сторону раздачи вальцующими элементами, установленный в нижнем конце перекрывателя башмак с обратным клапаном и захватываемым при его отсоединении от перекрывателя элементом, жестко связанные между собой: захватывающий элемент, замковый механизм и узел соединения с бурильными трубами.
Основными недостатками этих способа и устройства для его осуществления являются низкая надежность изоляции зон осложнения бурения скважин вследствие плохой калибровки раздутой профильной части перекрывателя и некачественного прижатия цилиндрической части перекрывателя развальцовкой, вследствие чего профильные и цилиндрические части перекрывателя прижимаются по спирали, что может привести к заклиниванию долота при спуске его после установки профильного перекрывателя для продолжения бурения, к нарушению герметичности резьбовых соединений перекрывателя, а иногда и к разрушению их из-за многоразовой знакопеременной нагрузки. Также при неглубоких интервалах нарушений бурения веса труб может не хватить для прохождения цилиндрических частей, что приведет к заклиниванию инструмента и, как следствие, аварийной ситуации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемым являются «Способ и устройство изоляции зон осложнения бурения скважины профильным перекрывателем с цилиндрическими участками» (пат. RU №2374424, МПК Е21В 29/10, опубл. бюл. №33 от 27.11.2009 г.), включающие спуск перекрывателя с башмаком в зону осложнения на колонне труб, оснащенной замковым механизмом, расширяющей головкой, состоящей из нескольких секций, установленных друг над другом с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями в сторону перекрывателя, расширение профильных участков перекрывателя созданием в нем гидравлического давления, раздачу цилиндрических и калибровку профильных участков с помощью расширяющей головки. При этом секциям расширяющей головки, выполненным в виде пуансонов, которые выполнены с возможностью уменьшать свой диаметр при извлечении из перекрывателя, а последний от перекрывателя пуансон - еще и увеличивать свой диаметр до рабочего при помощи гидравлического давления, при раздаче и калибровке придают продольное перемещение сверху вниз с проталкиванием через перекрыватель весом колонны труб, а на участках, требующих дополнительное усилие, например, при раздаче и калибровке цилиндрических участков, - гидродомкратом. Гидродомкрат соединен сверху с якорным узлом, выполненным с возможностью взаимодействия со стенками скважины, а снизу - с гидравлическим центратором. При подъеме якорного узла, гидродомкрата с гидравлическим центратором относительно дорнирующей головки стравливают жидкость внутри колонны труб при помощи перепускного клапана.
Недостатками данного способа и устройства являются наличие вспомогательного оборудования, такого как якорь, центратор, перепускной клапан, что в конечном счете приводит к увеличению длины компоновки и, как следствие, ухудшению проходимости инструмента и уменьшению его надежности. Кроме того, это оборудование позволяет работать только пошагово, т.е. необходимо сначала заякориться, затем усилием гидродомкрата раздать участок профильного перекрывателя, сбросить гидравлическое давление, чтобы поршни якорей вернулись в транспортное положение и только потом продолжать спуск до следующего раздаваемого участка. Для уменьшения количества этих операций длина хода гидродомкрата выбирается максимально возможной, что также приводит к общему увеличению длины компоновки.
Техническими задачами предлагаемого изобретения являются повышение надежности оборудования за счет упрощения его конструкции, исключения вероятности «прихвата» инструмента за счет уменьшения длины и применения шарнирных узлов, увеличивающих гибкость инструмента, а также сокращение временных затрат при проведении изоляции зон осложнения бурения.
Техническая задача решается способом изоляции зон осложнения бурения скважины профильным перекрывателем с цилиндрическими участками, включающим спуск перекрывателя с башмаком в зону осложнения на колонне труб, секций расширяющей головки, установленных друг над другом с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями в сторону перекрывателя и выполненных в виде пуансонов, которые установлены с возможностью уменьшать свой диаметр при извлечении из перекрывателя, а последний от перекрывателя пуансон - еще и увеличивать свой диаметр до рабочего при помощи гидравлического давления, расширение профильных участков перекрывателя созданием в нем гидравлического давления, раздачу цилиндрических и калибровку профильных участков с помощью расширяющей головки за счет продольного перемещения сверху вниз с проталкиванием через перекрыватель весом колонны труб, а на участках, требующих дополнительного усилия при раздаче и калибровке цилиндрических участков, - гидродомкратом.
Новым является то, что перед спуском между секциями расширяющей головки устанавливают один или несколько шарнирных узлов для увеличения гибкости расширяющей головки и прохода ее при спуске на участках скважины, имеющих кривизну, а перепад давлений в гидродомкрате и последнем от перекрывателя пуансоне для прохода участков, требующих дополнительных усилий, создают за счет одного или нескольких штуцеров, установленных внутри расширяющей головки ниже последнего пуансона, при этом усилие фиксации гидродомкрата относительно скважины создают весом колонны труб и за счет трения этих труб о стенки скважины.
Техническая задача для реализации способа решается устройством изоляции зон осложнения бурения скважины профильным перекрывателем с цилиндрическими участками, включающим профильный перекрыватель с цилиндрическими участками и резьбовыми соединениями, установленный на нижнем конце перекрывателя башмак с обратным клапаном, секции расширяющей головки, установленные друг над другом с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями в сторону перекрывателя, выполненные в виде пуансонов и содержащие снизу узел соединения с колонной труб, герметично соединенный с верхним концом перекрывателя, установленный выше расширяющей головки гидродомкрат с центральным проходным каналом, состоящий из соединенных соосно полых поршней и цилиндров, причем каждый пуансон выполнен из корпуса с центральным каналом и расширяющимися от перекрывателя направляющими, на которых с возможностью ограниченного перемещения установлены дорнирующие вставки, подпираемые снизу от перекрывателя толкателем, при этом на корпусе последнего от перекрывателя пуансона размещен сообщенный с центральным каналом корпуса цилиндр с кольцевым поршнем, соединенным сверху с толкателем и выполненным с возможностью ограниченного осевого перемещения за счет гидравлического давления, а кольцевые поршни остальных пуансонов подпружинены в сторону рабочего положения с возможностью уменьшать свой диаметр при извлечении из перекрывателя.
Новым является то, что между секциями расширяющей головки установлены один или несколько шарнирных узлов, позволяющих ограниченно отклоняться секциям относительно друг друга, а внутри расширяющей головки ниже последнего от перекрывателя пуансона установлены штуцеры для создания выше них перепада давлений при прокачке жидкости через расширяющую головку, при этом поршень последнего от перекрывателя пуансона подпружинен от его корпуса в сторону транспортного положения.
На фиг.1 изображена верхняя часть устройства с частичным продольным разрезом.
На фиг.2 изображена нижняя часть устройства с частичным продольным разрезом.
На фиг.3 изображен пуансон 6''' с частичным продольным разрезом в рабочем положении.
На фиг.4 изображен шарнирный узел с частичным продольным разрезом.
Устройство изоляции зон осложнения бурения (не показано) скважины (не показана) профильным перекрывателем 1 (см. фиг.2) с цилиндрическими участками 2 включает профильный перекрыватель 1 с цилиндрическими участками 2 и резьбовыми соединениями 3 на этих участках для герметичного соединения между собой, установленный на нижнем конце перекрывателя 1 башмак 4 с обратным клапаном 5, расширяющую головку 6 (см. фиг.1 и 2), состоящую из нескольких секций 6', 6'' и 6''', установленных друг над другом с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями 7 в сторону профильного перекрывателя 1 (см. фиг. 2) и содержащую сверху узел соединения 8 (см. фиг.1) с колонной труб 9, а снизу замковый механизм 10 (см. фиг.2), герметично соединенный с верхним концом перекрывателя 1, с направляющим устройством 11, которое также служит для проталкивания башмака 4 из профильного перекрывателя 1.
Устройство дополнительно содержит один или несколько (в зависимости от кривизны скважины) шарнирных узлов 12 (см. фиг.1), установленных между секциями расширяющей головки 6, гидродомкрат 13, состоящий из соединенных соосно полых поршней и цилиндров (на фиг.1 не показаны). Причем секции 6', 6'' и 6''' расширяющей головки 6 выполнены в виде пуансонов с уменьшающимися от секции 6''' последовательно к секции 6' в сторону перекрывателя соответствующими рабочими максимальными диаметрами: d3>d2>d1(не показано).
Каждый пуансон 6', 6'' и 6''' выполнен из корпуса 15 (см. фиг.3) с центральным каналом 16 и расширяющимися от перекрывателя 1 направляющими 17, на которых с возможностью ограниченного перемещения установлены дорнирующие вставки 18, подпираемые снизу от перекрывателя толкателем 19, при этом на корпусе 15 последнего от перекрывателя пуансона 6''' размещен сообщенный с центральным каналом 16 с помощью отверстия 20 цилиндр 21 с кольцевым поршнем 22, взаимодействующим сверху с толкателем 19 и подпружиненным пружиной сжатия 23 от корпуса 15 в сторону транспортного положения, выполненным с возможностью ограниченного осевого перемещения за счет гидравлического давления, а несанкционированные перетоки жидкости в устройстве исключают уплотнения 24. Кольцевые поршни (на фиг. 2 не показаны) остальных пуансонов 6' и 6'' подпружинены в сторону рабочего положения с возможностью уменьшать свой диаметр при извлечении из перекрывателя 1. Кроме этого, на нижнем конце каждого из пуансонов 6', 6'' и 6''' установлены штуцеры 14 (см. фиг.1, 2 и 3), за счет которых при прокачивании через компоновку промывочной жидкости создается перепад гидравлического давления, необходимого для выхода дорнирующих вставок 18 верхнего от профильного перекрывателя 1 пуансона 6''' в рабочее положение и работы гидродомкрата 13.
Шарнирный узел 12 состоит из верхней 25 (см. фиг.4) и нижней 26 частей корпуса с центральным проходным каналом 27, соединенных между собой обоймой 28. Нижняя часть 26 шарнирного узла имеет возможность ограниченного отклонения от осевой линии на определенный угол для обеспечения гибкости расширяющей головки 6 и прохода ее при спуске на участках скважины, имеющих кривизну. При помощи резьб 29 шарнирный узел соединяется с секциями расширяющей головки 6, а его герметичность обеспечивается уплотнением 30 (например, рукавом высокого давления).
Способ реализуется в следующей последовательности.
Профильный перекрыватель 1 (см. фиг.2) собирают на устье скважины, фиксируя внизу башмак 4 с обратным клапаном 5, свинчивая резьбовыми соединениями 3 цилиндрические участки 2. После чего профильный перекрыватель 1 (см. фиг.2) фиксируют на устье скважины и в него вставляют замковый механизм 10, выполненный аналогично замковому механизму, описываемому в патенте RU №2374424 (см. бюл. №33 от 27.11.2009 г.) При этом направляющее устройство 11 нижним торцом взаимодействует с верхним сужением профильного перекрывателя 1, исключая продольные люфты. Выше замкового механизма 10 устанавливают пуансоны 6' (см. фиг.2) и 6'' с пружинами, прижимающими дорнирующие вставки в сторону рабочего положения, обеспечивая их максимальный рабочий диаметр d1 и d2. Пуансон 6''' (см. фиг.3) состоит из корпуса 15 (см. фиг.3) с центральным каналом 16 и расширяющимися от перекрывателя 1 направляющими 17, на которых с возможностью ограниченного перемещения установлены дорнирующие вставки 18, подпираемые снизу от перекрывателя толкателем 19, при этом на корпусе 15 размещен сообщенный с центральным каналом 16 с помощью отверстия 20 цилиндр 21 с кольцевым поршнем 22, взаимодействующим сверху с толкателем 19 и подпружиненным пружиной сжатия 23 от корпуса 15 в сторону транспортного положения, выполненным с возможностью ограниченного осевого перемещения за счет гидравлического давления, а несанкционированные перетоки жидкости в устройстве исключают уплотнения 24. Между пуансонами 6'' и 6''', а в случае необходимости и 6', устанавливаются шарнирные узлы 12. Шарнирный узел 12 состоит из верхней 25 (см. фиг.4) и нижней 26 частей корпуса с центральным проходным каналом 27, соединенных между собой обоймой 28. Нижняя часть 26 шарнирного узла имеет возможность ограниченного отклонения от осевой линии на определенный угол для обеспечения гибкости расширяющей головки 6 и прохода ее при спуске на участках скважины, имеющих кривизну. При помощи резьб 29 шарнирный узел соединяется с секциями расширяющей головки 6, а его герметичность обеспечивается уплотнением 30 (например, рукавом высокого давления).
Выше пуансона 6''' присоединяют гидродомкрат 13, а также узел соединения 8 (см. фиг.1) (например, муфту с внутренней резьбой) с колонной труб 9 (бурильных труб (БТ) и/или УБТ, в зависимости от необходимого веса колонны труб 9). Гидродомкрат 13 также может быть выполнен любой конструкции, поршни и цилиндры (на фиг.1 не показаны) которого раздвигаются при повышении давления внутри гидродомкрата 13.
Перепад давления внутри гидродомкрата 13 и верхнего пуансона 6''' создается за счет установки в нижней части каждой из секций пуансонов 6', 6'' и 6''' штуцеров 14. Диаметр отверстия штуцеров 14 и их количество подбираются расчетным путем.
После сборки устройство на колонне труб 9 спускают в интервал установки профильного перекрывателя 1. При этом жидкость через обратный клапан 5 башмака 4, профильный перекрыватель 1, центральные каналы 16 пуансонов 6, центральный канал 27 шарнирного узла 12, гидродомкрата 13 заполняет колонну труб 9. По достижении интервала изоляции зон осложнения бурения скважины в колонне труб 9 создают избыточное давление, которое подается в профильный перекрыватель 1.
В результате обратный клапан 5 башмака 4 закрывается, профильные участки перекрывателя 1 расправляют до взаимодействия и предварительной фиксации со стенками скважины. Это также приводит к тому, что замковый механизм 10 с направляющим устройством 11 (см. фиг.2) освобождается от взаимодействия с верхним сужением профильного перекрывателя 1 и при разгрузке устройства с колонной труб 9 (см. фиг.1) под их весом устройство постепенно перемещается внутрь перекрывателя 1.
Далее давление в системе снижают до оптимального, при котором шток гидродомкрата 13 остается в крайнем нижнем положении, а дорнирующие вставки 18 пуансона 6''' - в рабочем положении, обеспечивающем рабочий диаметр d3, и начинают разгружать инструмент. Далее после входа в профильный перекрыватель 1 (см. фиг.1) пуансонов 6' (см. фиг.2), 6'' и 6''', уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями 7 в сторону перекрывателя 1 (см. фиг.1) и уменьшающимися от пуансона 6''' (см. фиг.2) последовательно к пуансону 6' в сторону перекрывателя соответствующими рабочими максимальными диаметрами d3>d2>d1, они последовательно дорнируют и калибруют под весом компоновки инструмента профильную часть перекрывателя 1 (см. фиг.3).
На участках профильного перекрывателя 1, требующих дополнительных усилий, например, при раздаче и калибровке цилиндрических участков 2 или смятий (на фиг.2 не показаны), полностью разгружают колонну труб 9 (см. фиг.1). В результате цилиндры и поршни гидродомкрата 13 (см. фиг.2) сдвигаются, переводя гидродомкрат в рабочее положение. Затем, увеличивая производительность насоса (не показан), в колонне труб 9 (см. фиг.1) создают дополнительное избыточное давление, в результате чего поршни гидродомкрата 13 вместе со штоком начинают проталкивать закрепленные ниже секции расширяющей головки 6 через участки профильного перекрывателя 1, требующие дополнительных усилий, т.е. к весу колонны труб 9 и инструменту добавляется еще и усилие гидродомкрата 13. При этом усилие фиксации гидродомкрата относительно скважины создают весом колонны труб и за счет трения этих труб о стенки скважины.
На участках профильного перекрывателя 1, где не требуется дополнительное усилие, дорнирование и калибровка пуансонами 6', 6'' и 6''' (см. фиг.1 и 2) производятся проталкиванием их под весом колонны труб 9 (см. фиг.1) через профильный перекрыватель 1 (см. фиг.2).
По достижении направляющим устройством 11 башмака 4 происходит его выдавливание из нижней части профильного перекрывателя 1 весом колонны труб 9, а также происходит дорнирование и калибровка нижней части профильного перекрывателя 1 пуансонами 6', 6'' и 6''' (см. фиг.1 и 2). После того, как верхний пуансон 6''' выйдет из профильного перекрывателя 1, выключают насос и производят подъем компоновки. Дорнирующие вставки пуансона 6''' при этом возвращаются в исходное транспортное положение под действием пружины.
Башмак 4 падает на забой и, так как он изготовлен из легкоразбуриваемого материала, при дальнейшем бурении ствола скважины происходит его разрушение.
При взаимодействии пуансонов 6' и 6'' (см. фиг.2) со стенками скважины (например, при осыпании породы) дорнирующие вставки с толкателями, преодолевая соответственно усилия пружин, перемещаются по направляющим вниз, уменьшают свой максимальный диаметр. Благодаря чему пуансоны 6' и 6'' свободно проходят эти участки при подъеме без заклинивания устройства и возникновения аварийных ситуаций.
Данное изобретение позволяет повысить надежность оборудования за счет упрощения его конструкции, исключения вероятности «прихвата» инструмента за счет уменьшения длины и применения шарнирных узлов, увеличивающих гибкость инструмента, а также сократить временные затраты при проведении изоляции зон осложнения бурения.