Компоновка вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны методом "снизу-вверх" в горизонтальных скважинах
CUTTING TOOL LAYOUT FOR CASING SECTION MILLING IN HORIZONTAL WELLS USING BOTTOM TO TOP METHOD

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при строительстве и капитальном ремонте скважин в случае необходимости фрезерования (полного удаления) участка зацементированной обсадной колонны. Предложенная компоновка вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны предназначена, преимущественно, для горизонтальных, а также наклонно направленных скважин с большим зенитным углом.
В практических условиях потребность фрезерования заданного участка зацементированной обсадной колонны наиболее часто возникает при выполнении капитального ремонта скважин. Удаление участка обсадной колонны является сложной технической задачей, особенно в интервалах перфорации, смятия, порыва обсадной колонны, в местах размещения муфтовых соединений труб и т.д. В большинстве случаев, участок обсадной колонны, который подлежит фрезерованию, располагается в ее нижней части (т.е. у искусственного забоя скважины).
Фрезерование участка обсадной колонны чаще всего осуществляют роторным способом, обеспечивая при этом вращение бурильной колонны с присоединенной к ее нижнему концу компоновкой вырезающего инструмента, включающей в себя раздвижной гидравлический расширитель. При этом бурильную колонну с компоновкой вырезающего инструмента плавно перемещают в осевом направлении по стволу скважины в направлении «сверху-вниз» или «снизу-вверх».
Принципиальная разница заключается в том, что при использовании метода «сверху-вниз» нижняя часть бурильной колонны находится в сжатом состоянии, а при использовании метода «снизу-вверх» - в растянутом.
Необходимо отметить, что эффективность фрезерования участка обсадной колонны при использовании того или иного метода зависит, главным образом, от качества центрирования раздвижного расширителя внутри обсадной колонны, а также от стабильности величин осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на его резцы. Отмечено, что работа раздвижного расширителя в эксцентричных условиях приводит к быстрому износу резцов и даже к их поломке.
В настоящее время при фрезеровании участка обсадной колонны, в подавляющем большинстве случаев, используется метод «сверху-вниз», который наиболее прост с точки зрения технического оснащения и технологического исполнения. В процессе фрезерования заданного участка обсадной колонны методом «сверху-вниз» вращаемая ротором бурильная колонна с присоединенной к ее нижнему концу компоновкой вырезающего инструмента при помощи талевой системы буровой установки плавно перемещается в направлении к забою скважины. Требуемая осевая нагрузка на резцы раздвижного расширителя обеспечивается путем частичной разгрузки веса бурильной колонны, нижняя часть которой в процессе фрезерования участка обсадной колонны постоянно находится в сжатом состоянии.
Основные трудности при фрезеровании участка обсадной колонны методом «сверху-вниз» заключаются в сложности поддержания стабильных величин осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на резцы раздвижного расширителя. В вертикальных, а также в наклонно направленных скважинах с небольшим зенитным углом для создания требуемой осевой нагрузки на резцы раздвижного расширителя используют утяжеленные бурильные трубы (УБТ). При вращении бурильной колонны УБТ, в определенной степени, выполняют роль маховика, способствующего поддержанию стабильности передаваемого на резцы крутящего момента. А обеспечение соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны достигается путем размещения в составе нижней части бурильной колонны и компоновке вырезающего инструмента корпусных (с постоянным наружным диаметром) и/или раздвижных гидравлических центраторов.
В горизонтальных скважинах сложность центрирования раздвижного расширителя внутри обсадной колонны, а также поддержания стабильности осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на его резцы, возрастает многократно, поскольку нижняя часть бурильной колонны вместе с компоновкой вырезающего инструмента лежит на стенке обсадной колонны. В случае работы раздвижного расширителя в горизонтальном интервале ствола УБТ не используются. Основным препятствием для поддержания стабильного уровня осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на резцы раздвижного расширителя, являются силы сопротивления осевому перемещению и вращению бурильной колонны внутри обсадной колонны. Преодоление этих сил неизбежно сопровождается повышением сжимающих усилий и крутящего момента в бурильной колонне. Наиболее опасным следствием является локальная потеря продольной устойчивости бурильной колонны, которая принимает форму плоской синусоиды, а затем, по мере увеличения сжимающей нагрузки, переходит в пространственную спираль. Кроме того, увеличение сжимающих нагрузок сопровождается прогрессирующим ростом усилий, прижимающих бурильную колонну к стенке обсадной колонны. Из-за этого недостатки метода «сверху-вниз» наиболее активно проявляются именно на горизонтальном участке ствола скважины, когда нижняя часть бурильной колонны вместе с компоновкой вырезающего инструмента лежит на стенке обсадной колонны. Следует добавить, что, в случае использования метода «сверху-вниз», установленные выше раздвижного расширителя раздвижные центраторы, по мере увеличения протяженности вырезанного участка обсадной колонны, начинают поочередно перемещаться из обсадной колонны в открытый ствол скважины, где фактически перестают выполнять свои функции.
При использовании метода «снизу-вверх» осуществить качественное центрирование компоновки вырезающего инструмента с раздвижным расширителем внутри обсадной колонны гораздо проще, поскольку в процессе фрезерования раздвижные центраторы, установленные над раздвижным расширителем, постоянно находятся во внутренней полости обсадной колонны.
Эффективность процесса фрезерования участка обсадной колонны методом «снизу-вверх» значительно выше, однако требует дополнительного размещения на устье скважины специального подъемного устройства, которое должно обеспечивать возможность непрерывного плавного подъема бурильной колонны с заданной скоростью. Последняя зависит от многих факторов (в т.ч. от толщины стенки и прочностных свойств обсадной колонны, частоты вращения ротора, количества резцов раздвижного расширителя, режима резания и др.) и в практических условиях исчисляется десятыми долями мм/с. В качестве специального подъемного устройства можно использовать, к примеру, силовой гидроцилиндр, гидравлически связанный с насосной станцией и регулируемым штуцером. При выполнении фрезерования обсадной колонны силовой гидроцилиндр размещается между крюком талевой системы буровой установки и верхним концом бурильной колонны.
Необходимость привлечения специального подъемного устройства обусловлено тем, что талевая система буровой установки не позволяет осуществлять непрерывный плавный подъем бурильной колонны с упомянутой скоростью. По указанной причине в настоящий момент метод «снизу-вверх» имеет ограниченное распространение и используется, преимущественно, в морских скважинах для отрезания зацементированных обсадных колонн перед их извлечением на поверхность. Однако как показывает анализ накопленного практического опыта, в случае использования метода «снизу-вверх» обеспечить эффективную работу раздвижного расширителя посредством поддержания стабильности осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на его резцы, гораздо проще.
В процессе фрезерования участка обсадной колонны в горизонтальном интервале ствола скважины добиться необходимой степени соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны любым методом достаточно сложно. Этому, в первую очередь, препятствует жесткое резьбовое соединение отдельных узлов компоновки вырезающего инструмента и нижней части бурильной колонны.
В горизонтальном интервале ствола скважины соосность обсадной колонны и компоновки вырезающего инструмента достигается посредством установки в последней корпусных и/или раздвижных центраторов. При этом корпусные центраторы не оказывают существенного влияния, так как их наружный диаметр меньше внутреннего диаметра обсадной колонны. Однако корпусные центраторы облегчают возможность перемещения нижней части бурильной колонны с компоновкой вырезающего инструмента по обсадной колонне в горизонтальном интервале ствола скважины, а также улучшает условия его промывки и выноса шлама.
Добиться положительного результата при центрировании компоновки вырезающего инструмента в горизонтальном интервале ствола скважины путем размещения раздвижных гидравлических центраторов также достаточно сложно из-за значительной массы и жесткости резьбовых соединений нижней части бурильной колонны и компоновки вырезающего инструмента. Кроме того, эффективность работы раздвижных гидравлических центраторов определяются, главным образом, величиной избыточного давления промывочной жидкости, создаваемого в бурильной колонне, которая в значительной степени ограничена прочностными характеристиками последней, техническими возможностями наземного насосного оборудования и др. Поэтому установка даже нескольких раздвижных гидравлических центраторов может оказаться недостаточной для обеспечения качественного центрирования компоновки вырезающего инструмента внутри обсадной колонны.
Тем не менее, раздвижные центраторы, установленные в составе компоновки вырезающего инструмента непосредственно над раздвижным расширителем, способны активно влиять на качество центрирования последнего внутри обсадной колонны. В данном случае необходимо учитывать, что при фрезеровании участка обсадной колонны метода «снизу-вверх» нижняя часть бурильной колонны вместе с компоновкой вырезающего инструмента находятся в растянутом состоянии, а режущие лопасти раздвижного расширителя в рабочем положении установлены, как правило, под углом 35-50° к его оси. В результате совокупного влияния этих факторов происходит самопроизвольное центрирование вращающихся режущих лопастей относительно оси обсадной колонны, что способствуют достижению соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны.
Известна компоновка устройства УВУ конструкции ВНИИБТ для вырезания участка обсадных труб в скважине, включающая верхний направляющий (пружинный) центратор, раздвижной гидравлический расширитель с резцами, нижний направляющий (пружинный) центратор и направляющий наконечник [1]. При использовании известной компоновки устройства УВУ фрезерование участка обсадной колонны осуществляется методом «сверху-вниз».
Недостатки известной компоновки устройства УВУ заключаются в низкой надежности и эффективности его работы при высоких значениях крутящего момента и осевой нагрузки на резцы раздвижного расширителя, главным образом, из-за недостаточной степени центрирования последнего внутри обсадной колонны.
Известна компоновка устройства для вырезания участка обсадных труб в скважине [2]. Известная компоновка устройства для вырезания участка обсадных труб предназначена для использования, в первую очередь, в вертикальных скважинах, обсаженных двумя-тремя колоннами с несоосно зацементированными и частично деформированными обсадными трубами, а также в скважинах с большой кривизной обсадных колонн.
Известная компоновка устройства для вырезания участка обсадных труб присоединена к нижнему концу бурильной колонны и включает в себя последовательно расположенные в осевом направлении от устья к забою скважины и соединенные посредством резьбовых соединений следующие узлы: предохранительный нагрузочный узел, верхний пружинный центратор, верхний угловой компенсатор, раздвижной гидравлический расширитель с резцами, раздвижной гидравлический центратор, нижний угловой компенсатор, нижний пружинный центратор и направляющий наконечник. Вырезание участка обсадной колонны при этом осуществляется методом «сверху-вниз».
Предохранительный нагрузочный узел срабатывает при превышении осевой нагрузки на резцы или величины крутящего момента и переводит бурильную колонну в режим холостого вращения. Верхний и нижний угловые компенсаторы должны компенсировать несоосность бурильной и обсадной колонн с целью обеспечения надежной работы резцов раздвижного гидравлического расширителя. Угловой компенсатор выполнен в виде карданно-шарнирного герметичного муфтового узла, позволяющего прокачивать через него промывочную жидкость, а также передавать на резцы раздвижного гидравлического расширителя требуемую осевую нагрузку и крутящий момент. Конкретное конструктивное исполнение углового компенсатора в указанном источнике информации отсутствует.
Основным недостатком известной компоновки устройства для вырезания участка обсадных труб является ее недостаточная эффективность и надежность в случае работы в наклонно направленных скважинах с большими зенитными углами и, тем более, в горизонтальных. Пружинные верхний и нижний, а также раздвижной гидравлический центраторы не позволяют обеспечить достаточную степень соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны, что может привести к быстрому износу резцов и, возможно, к их поломке. Размещение под раздвижным расширителем раздвижного гидравлического центратора, нижнего углового компенсатора, нижнего пружинного центратора и направляющего наконечника ограничивает возможность использования известной компоновки вблизи искусственного забоя скважины. Кроме того, конструктивные особенности известной компоновки не позволяют осуществить фрезерование участка обсадной колонны методом «снизу-вверх».
Известна компоновка инструмента для расширения ствола скважины методом «снизу-вверх» [3], которая может быть предложена в качестве прототипа. Указанная компоновка инструмента присоединена к нижней части бурильной колонны и включает последовательно размещенные в осевом направлении от устья к забою скважины: корпусные центраторы, раздвижные гидравлические центраторы с опорными элементами в виде лыж, раздвижной гидравлический расширитель с режущими лопастями, раздвижной гидравлический стабилизатор с дросселирующим узлом и наконечник с промывочным каналом. В частном случае, между наконечником и раздвижным стабилизатором может быть дополнительно размещен корпусной центратор.
В процессе работы корпус раздвижного центратора вращается вместе с бурильной колонной, а его опорные элементы перемещаются внутри обсадной колонны только в осевом направлении. Режущие лопасти раздвижного гидравлического расширителя, которые в рабочем положении располагаются под углом 40-45° к его оси, в процессе расширения ствола скважины способствуют достижению соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны.
Центрирование раздвижного гидравлического расширителя внутри обсадной колонны достигается посредством размещения в составе компоновки корпусных и раздвижных центраторов. Раздвижной гидравлический стабилизатор в процессе фрезерования обсадной колонны может размещаться как в последней, так и в открытом стволе скважины. В первом случае раздвижной гидравлический стабилизатор выполняет те же функции, что и раздвижной гидравлический центратор, а во втором случае -обеспечивает дополнительное центрирование раздвижного гидравлического расширителя. Но, из-за неравномерности диаметра открытого ствола и конструктивных особенностей раздвижного гидравлического стабилизатора, эффективность его применения не слишком высока.
Основным недостатком известной компоновки инструмента для расширения ствола скважины методом «снизу-вверх» является ее недостаточная надежность и эффективность при работе в горизонтальном интервале ствола скважины. Причина обусловлена значительной массой и жесткостью соединения узлов компоновки инструмента и нижней части бурильной колонны, затрудняющими возможность качественного центрирования раздвижного расширителя внутри обсадной колонны. Данное обстоятельство, в свою очередь, негативно отражается на эффективности и надежности работы раздвижного расширителя. Помимо этого, размещение под раздвижным расширителем раздвижного гидравлического стабилизатора с дросселирующим узлом и наконечника с промывочным каналом ограничивает возможность фрезерования участка обсадной колонны, расположенного вблизи от искусственного забоя скважины.
Задачей предложенного изобретения является получение технического результата, выражающегося в повышении надежности и эффективности работы компоновки вырезающего инструмента при фрезеровании участка обсадной колонны методом «снизу-вверх» в горизонтальном интервале ствола скважины.
Задача решается и технический результат достигается тем, что компоновка вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны методом «снизу-вверх» в горизонтальных скважинах снабжена установочным патрубком и двумя карданно-шарнирными узлами с фигурными полумуфтами, втулками, цапфами, седлами и тарельчатыми пружинами, причем установочный патрубок соосно размещен между карданно-шарнирными узлами, при этом карданно-шарнирный узел выполнен в виде двух соосно установленных фигурных полумуфт и размещенной между ними втулки, а фигурная полумуфта имеет форму полого цилиндра со ступенчатой наружной боковой поверхностью, в центральном осевом канале которого с одной стороны выполнена присоединительная резьба, а с другой -внутренняя кольцевая расточка и две стойки, расположенные напротив друг друга, симметрично по отношению к оси центрального канала в фигурной полумуфте, причем втулка имеет форму шара с центральным осевым каналом, при этом на наружной поверхности втулки, равномерно по окружности, установлены четыре цапфы, оси которых расположены в диаметральной плоскости, перпендикулярной по отношению к центральному осевому каналу, и пересекаются с осью последнего, а седло имеют форму полого цилиндра, у которого наружная поверхность одного из торцов выполнена ответной по отношению к наружной поверхности втулки, причем во внутренней кольцевой расточке фигурной полумуфты соосно установлены тарельчатая пружина и седло, которое имеет возможность взаимодействия с наружной поверхностью втулки, при этом в стойках фигурной полумуфты выполнены соосные сквозные каналы для размещения в них цапф втулки, а ось сквозных каналов перпендикулярна оси центрального осевого канала в фигурной полумуфте и пересекается с ней, причем втулка посредством цапф, размещенных с возможностью осевого поворота в соосных сквозных каналах стоек, шарнирно связана с обеими фигурными полумуфтами, при этом на концах установочного патрубка выполнены присоединительные резьбы, ответные присоединительной резьбе на фигурных полумуфтах, а оси сквозных каналов в стойках фигурных полумуфт, связанных резьбовыми соединениями с установочным патрубком, расположены параллельно друг другу.
Конструкция компоновки вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны методом «снизу-вверх» в горизонтальных скважинах поясняется чертежами, где: на фиг. 1 приведена схема компоновки вырезающего инструмента в транспортном положении; на фиг. 2 - схема компоновки вырезающего инструмента в рабочем положении; на фиг. 3 -общий вид карданно-шарнирных узлов и установочного патрубка; на фиг. 4 - сечение А-А по фиг. 3.
Предложенная компоновка вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны 1 присоединена к нижнему концу бурильной колонны 2 и включает в себя последовательно установленные (в осевом направлении от устья к забою скважины): два или более корпусных центратора 3, карданно-шарнирный узел 4, установочный патрубок 5, карданно-шарнирный узел 4, два или более раздвижных гидравлических центратора 6 с опорными элементами 7 и раздвижной гидравлический расширитель 8 с режущими лопастями 9.
В частном случае, между двумя раздвижными гидравлическими центраторами 6, установленными над раздвижным гидравлическим расширителем 8, может быть размешен маховик (на чертежах не показан), выполненный, к примеру, в виде одного или нескольких соосно соединенных между собой серийно выпускаемых калибраторов типа КЛС (калибратор лопастной спиральный). Использование подобного маховика позволит, во-первых, стабилизировать величину крутящего момента, передаваемого на режущие лопасти 9 раздвижного расширителя 8, а, во-вторых, улучшить условия промывки и выноса из рабочей зоны частиц металлической стружки и шлама (частиц цементного камня и горной породы).
Карданно-шарнирный узел 4 состоит из двух фигурных полумуфт 10, между которыми соосно размещена втулка 11 в форме шара с центральным осевым каналом. Снаружи на втулке 11 закреплены четыре цапфы 12. Оси цапф 12, установленных равномерно по окружности на наружной поверхности втулки 11, расположены в ее диаметральной плоскости, которая перпендикулярна по отношению к центральному осевому каналу, и пересекаются с осью последнего.
Фигурная полумуфта 10 имеет форму полого цилиндра со ступенчатой наружной боковой поверхностью, в центральном осевом канале которого с одной стороны выполнена присоединительная резьба, а с противоположной -внутренняя кольцевая расточка для размещения в ней тарельчатой пружины 13 и седла 14, а также две стойки 15. Указанные стойки 15 расположены напротив друг друга, симметрично относительно оси центрального канала в фигурной полумуфте 10. В стойках 15 выполнены соосные сквозные каналы для размещения в них цапф 12 втулки 11. Ось этих сквозных каналов перпендикулярна оси центрального осевого канала в фигурной полумуфте 10 и пересекается с ней.
Седло 14 имеет форму полого цилиндра, у которого наружная поверхность одного из торцов выполнена ответной по отношению к наружной поверхности втулки 11. Герметизация седла 14 во внутренней кольцевой расточке центрального осевого канала в фигурной полумуфте 10 осуществляется при помощи кольцевой уплотнительной манжеты (на чертежах не показана). Втулка 11 установлена между седлами 14 таким образом, что их наружные поверхности взаимодействуют с наружной поверхностью втулки И. Прижатие седел 14 к втулке 11 обеспечивается тарельчатыми пружинами 13.
Втулка 11 посредством цапф 12 шарнирно связана со стойками 15 обеих фигурных полу муфт 10. При этом в сквозных каналах стоек 15 каждой фигурной полумуфты 10 размещены две цапфы 12, закрепленные на втулке 11 напротив друг друга. Цапфы 12 установлены в сквозных каналах стоек 15 с возможностью свободного осевого поворота.
Установочный патрубок 5 имеет на своих концах присоединительные резьбы, ответные присоединительной резьбе на фигурных полумуфтах 10, и соосно размещен между последними. Длина установочного патрубка 5 подбирается с учетом радиусов кривизны ствола скважины, внутреннего проходного диаметра обсадной колонны 1, наружного диаметра нижней части бурильной колонны 2, габаритных размеров, установленных в ее составе корпусных 3 и раздвижных центраторов 6, раздвижного гидравлического расширителя 8 и т.д.
В процессе размещения установочного патрубка 5 между карданно-шарнирных узлов 4 необходимо обеспечить параллельность осей сквозных каналов в стойках 15 тех фигурных полумуфт 10, которые связаны резьбовыми соединениями с установочным патрубком 5.
Предложенная компоновка вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны работает следующим образом. Собранную на устье компоновку вырезающего инструмента, включающую (в осевом направлении от устья к забою скважины) два корпусных центратора 3, карданно-шарнирный узел 4, установочный патрубок 5, карданно-шарнирный узел 4, два раздвижных гидравлических центратора 6 и раздвижной гидравлический расширитель 8, присоединяют к нижнему концу бурильной колонны 2 и при помощи талевой системы буровой установки спускают в обсадную колонну 1. Компоновка вырезающего инструмента в процессе спуска по обсадной колонне 1 находится в транспортном положении.
При размещении раздвижного гидравлического расширителя 8 на заданной глубине (режущие лопасти 9 установлены напротив нижней границы подлежащего фрезерованию участка обсадной колонны 1) талевую систему буровой установки стопорят, после чего организуют вращение бурильной колонны 2 и прямую циркуляцию промывочной жидкости через нее. При увеличении избыточного давления промывочной жидкости во внутренней полости бурильной колонны 2 начинается плавный перевод раздвижных гидравлических центраторов 6 и раздвижного гидравлического расширителя 8 из транспортного положения в рабочее. В результате этого опорные элементы 7 раздвижных центраторов 6 и режущие лопасти 9 гидравлического расширителя 8 взаимодействуют с внутренней поверхностью обсадной колонны 1.
Таким образом, за счет размещения в составе компоновки вырезающего инструмента двух карданно-шарнирных узлов 4 и установочного патрубка 5, раздвижные центраторы 6 обеспечивают качественное центрирование в обсадной колонне 1 только раздвижного расширителя 8, а не всей компоновки вырезающего инструмента.
В процессе контакта режущих лопастей 9 вращающегося раздвижного расширителя 8 с обсадной колонной 1 происходит сквозное прорезание стенки последней, после чего режущие лопасти 9 полностью переходят из транспортного положения в рабочее. Далее, при помощи упомянутого выше силового гидроцилиндра, организуют плавное непрерывное перемещение бурильной колонны 2 вместе с раздвижным расширителем 8 по стволу скважины в направлении «снизу-вверх».
После окончания процесса фрезерования выбранного участка обсадной колонны 1 прекращают циркуляцию промывочной жидкости и вращение бурильной колонны 2. При уменьшении величины избыточного давления промывочной жидкости во внутренней полости бурильной колонны 2 опорные элементы 7 раздвижных центраторов 6 и режущие лопасти 9 гидравлического расширителя 8 переходят из рабочего положения в транспортное. Далее, при помощи талевой системы буровой установки, бурильную колонну 2 вместе с компоновкой вырезающего инструмента извлекают на поверхность.
Источники информации:
1. А.Г. Калинин, Б.А. Никитин, К.М. Солодкий и Б.З. Султанов. Бурение наклонных и горизонтальных скважин. - М.: Изд-во «Недра», 1997, с. 523-526.
2. RU №93112 U1, Е21В 7/08, Е21В 29/00, опубл. 20.04.2010.
3. RU №2513923 C2, E21B 7/28, E21B 17/10, опубл. 10.11.2013.