Клиновой отклонитель для забуривания боковых стволов из скважины

Клиновой отклонитель для забуривания боковых стволов из скважины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области бурения и капитального ремонта газонефтяных скважин, а именно 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 не оправдано, а их выход в рабочее положение ограничен, вследствие этого не будет достигнуто достаточного сцепления 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 спускоподъемных 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, 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 и 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, снижение вероятности аварийных ситуаций за счет оснащения срезного болта кольцевым концентратором напряжения, расположенным ниже направляющей поверхности клина, что в совокупности позволит 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 болтом.

Новым является то, что срезной болт оснащен кольцевым концентратором напряжения, расположенным ниже отклоняющей поверхности клина, цилиндрическим сужением с кольцевой проточкой со стороны режущего инструмента, который снабжен цилиндром, сообщенным с полостью, а отсоединительное устройство выполнено в виде радиального поршня, вставленного в цилиндр с возможностью ограниченного перемещения в сторону срезного болта и зафиксированного в транспортном положении замковым механизмом, открывающимся при давлении, превышающем давление закрепления гидравлического якоря в стволе скважины, причем поршень снабжен цилиндрической полостью с конусным сужением и упором со стороны срезного болта, в полости размещена подпружиненная наружу к упору обойма с шариками, взаимодействующими снаружи с конусным сужением в транспортном положении и цилиндрической полостью при перемещении обоймы внутрь поршня, и пружинный толкатель меньшего диаметра, при этом цилиндрическое сужение срезного болта выполнено меньшего диаметра, чем обойма поршня, его кольцевая проточка оснащена фасками с обеих сторон, а торец со стороны режущего инструмента - фаской, выполненной с возможностью взаимодействия с шариками обоймы изнутри при установке срезного болта внутрь поршня, причем торец болта выполнен с возможностью взаимодействия с пружинным толкателем, торец перед цилиндрическим сужением - с обоймой, а его кольцевая проточка - с шариками изнутри в транспортном положении.

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 (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.

Срезной болт 5 оснащен кольцевым концентратором напряжения 10 (фиг.2), расположенным ниже отклоняющей поверхности 8 клина 1, цилиндрическим сужением 11 (фиг.3) с кольцевой проточкой 12 со стороны режущего инструмента 6, который снабжен цилиндром 13, сообщенным с полостью 14, а отсоединительное устройство выполнено в виде радиального поршня 15, вставленного в цилиндр 13 с возможностью ограниченного перемещения в сторону срезного болта 5 и зафиксированного в транспортном положении замковым механизмом 16, открывающимся при давлении, превышающем давление закрепления гидравлического якоря 3 (фиг.1) в стволе скважины (на фиг.1 не показана), причем поршень 15 (фиг.3) снабжен цилиндрической полостью 17 с конусным сужением 18 и упором 19 со стороны срезного болта 5, в полости размещена подпружиненная наружу к упору 19 обойма 20 (например, пружиной сжатия, см. фиг.2 и 3) с шариками 21, взаимодействующими снаружи с конусным сужением 18 поршня 15 и цилиндрической полостью 17 при перемещении обоймы 20 внутрь поршня 15, и пружинный толкатель 22 меньшего диаметра, при этом цилиндрическое сужение 11 срезного болта 5 выполнено меньшего диаметра, чем обойма 20 поршня 15, его кольцевая проточка 12 оснащена фасками с обеих сторон, а торец со стороны режущего инструмента 6 - фаской, выполненной с возможностью взаимодействия с шариками 21 обоймы 20 изнутри при установке срезного болта 5 внутрь поршня 15, причем торец болта 5 выполнен с возможностью взаимодействия с пружинным толкателем 22 (который может быть зафиксирован в полости 17 поршня 15, например, пайкой, сваркой, механическим креплением и т.п., на фиг.2 и 3 не показано), торец 23 перед цилиндрическим сужением 11 - с обоймой 20, а его кольцевая проточка 12 - с шариками 21 изнутри в транспортном положении.

Устройство работает следующим образом.

Собранный на мостках буровой установки клиновой отклонитель 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 через полость 14 (фиг.2) в цилиндр 13 режущего инструмента 6 и воздействующие на поршень 15. С целью исключения несанкционированного отсоединения режущего инструмента 6 от клина 1 установлен замковый механизм 16 (например, стопор, срезной винт, подпружиненная призма и т.п.), который в процессе спускоподъемных операций удерживает поршень 15 на месте.

Насосом с поверхности земли создают давление рабочей жидкости в полости бурильных труб, которое через режущий инструмент 6 (фиг.1) по трубке 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 клинового отклонителя. Затем созданием давления, превышающего давление закрепления гидравлического якоря 3, открывают замковый механизм 16 (например, срезают стопор) (фиг.2) и поршень 15 перемещается в цилиндре 13 режущего инструмента 6 в сторону срезного болта 5. При этом обойма 20 остановится на торце 23, а шарики 21 под действием реакции фаски кольцевой проточки 12 раздвигаются и перемещаются в цилиндрическую полость 17 поршня 15 и освобождают срезной болт 5 от режущего инструмента 6, который под действием пружинного толкателя 22 отходит к противоположной стенке скважины, выходя из зацепления с клином 1. Снижение веса инструмента, находящегося в скважине, показывает, что произошло отсоединение режущего инструмента 6 от клина 1 (фиг.1). Натяжением колонны бурильных труб разрушают трубку высокого давления 7, сообщая внутреннюю полость бурильных труб и полость 14 (фиг.2) режущего инструмента 6 со стволом скважины для промывки скважины.

Выполнение отсоединительного устройства в виде поршня 15, установленного в цилиндре 13 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 кольцевой концентратор напряжения 10 (фиг.2), расположенный ниже отклоняющей поверхности 8 клина 1, в случае аварийной ситуации, когда отсоединение режущего инструмента 6 от клина 1 под действием давления не произошло (например, произошло засорение полости бурильных труб окалиной, упавшим предметом или забыли установить пружинный толкатель 22 в процессе сборки клинового отклонителя и т.п.), 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 «окна», если отсоединение режущего инструмента 6 произошло в штатном режиме, кольцевой концентратор напряжения 10 срезного болта 5 способствует его быстрейшему разрушению, сохранению режущего инструмента 6 и ускорению процесса вырезания «окна» в стенке обсадной колонны 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 невозможностью доставки устройства в интервал установки, а также невозможностью отсоединения режущего инструмента из-за недохождения осевой нагрузки до срезного болта в скважинах с резкими перегибами или сложным профилем ствола, что в совокупности позволит снизить стоимость строительства скважин сложной архитектуры со сложным профилем стволов.

Клиновой отклонитель для забуривания боковых стволов из скважины, включающий 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, отличающийся тем, что срезной болт оснащен кольцевым концентратором напряжения, расположенным ниже отклоняющей поверхности клина, цилиндрическим сужением с кольцевой проточкой со стороны режущего инструмента, который снабжен цилиндром, сообщенным с полостью, а отсоединительное устройство выполнено в виде радиального поршня, вставленного в цилиндр с возможностью ограниченного перемещения в сторону срезного болта и зафиксированного в транспортном положении замковым механизмом, открывающимся при давлении, превышающем давление закрепления гидравлического якоря в стволе скважины, причем поршень снабжен цилиндрической полостью с конусным сужением и упором со стороны срезного болта, в полости размещена подпружиненная наружу к упору обойма с шариками, взаимодействующими снаружи с конусным сужением в транспортном положении и цилиндрической полостью при перемещении обоймы внутрь поршня, и пружинный толкатель меньшего диаметра, при этом цилиндрическое сужение срезного болта выполнено меньшего диаметра, чем обойма поршня, его кольцевая проточка оснащена фасками с обеих сторон, а торец со стороны режущего инструмента - фаской, выполненной с возможностью взаимодействия с шариками обоймы изнутри при установке срезного болта внутрь поршня, причем торец болта выполнен с возможностью взаимодействия с пружинным толкателем, торец перед цилиндрическим сужением - с обоймой, а его кольцевая проточка - с шариками изнутри в транспортном положении.