ОТКЛОНИТЕЛЬ КЛИНОВОЙ Российский патент 2000 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для бурения скважин и прорезания окон в обсадной колонне. Оно может быть использовано для увеличения проходного сечения для инструмента при прорезании окна в эксплуатационной колонне, проводке второго ствола и подземного оборудования при дальнейшей эксплуатации скважины.

Известен отклонитель [1], включающий породоразрушающий инструмент, конусный удлинитель, вал, состоящий из двух связанных шарнирно частей, между которыми установлен выдвижной упор с приводом, корпус, привод выдвижного упора выполнен в виде установленной на нижнем валу втулки с выступами на верхнем торце для взаимодействия с выдвижным упором и с накладкой на боковой поверхности для взаимодействия со стенкой скважины. Нижняя часть отклонителя за счет накладки отклоняется, увлекая за собой нижний конец втулки до тех пор, пока выдвижной упор и корпус не прижмутся к стенке скважины.

Недостатками устройства являются: ограниченность применения отклоняющей системы бурением долотом и невозможность применения при "зарезке" окна в эксплуатационной колонне и инструмента - при бурении второго ствола из-за отсутствия клина-отклонителя. Присутствие же клина-отклонителя вместо вала (верхнего) не обеспечивает плотного прижимания к стенкам скважины клина ни в верхней, ни в нижней его части в связи с возможным проворачиванием клина относительно выдвижного упора и образования зазора между стенкой скважины и нижней частью клина. Это в свою очередь приведет к увеличению времени фрезерования окна в обсадной колонне и увеличению металлосъема клина при фрезеровании, что не гарантирует заданного угла зарезки.

Известен отклонитель [2], содержащий корпус трубчатый с отклоняющим элементом в его полости для взаимодействия с расположенным в корпусе полым валом, верхний конец которого жестко связан с корпусом, а нижний установлен на шарнирной опоре. Корпус с диаметрально противоположной отклоняющему элементу стороны выполнен с продольной прорезью, ширина которой больше диаметра вала, отклоняющий элемент жестко связан с корпусом, а его рабочая поверхность расположена от корпуса на расстоянии, превышающем зазор между валом и корпусом в верхней части, причем шарнирная опора образована шарами, расположенными в полости между корпусом и валом в плоскости, перпендикулярной оси вала.

Недостатком устройства является ненадежность в работе в случае использования клина-отклонителя вместо полого вала, т.к. вал изогнут в форме буквы "S", что не может быть использовано при работе райбера, фрезы при зарезке "окна" в обсадной колонне. Повышенная гибкость отклоняющего элемента не гарантирует заданный угол зарезки бокового ствола скважины. Следовательно, его функция ограничена работой, связанной с изменением направления основного ствола буровой скважины.

Известен отклонитель [3], содержащий корпус с проточкой и клиновой поверхностью, распорный клин и фиксатор, установленный в проточке корпуса и клина, распорный клин подпружинен относительно корпуса, а фиксатор выполнен в виде упругого стержня. Клин содержит желоб, корпус выполнен с клиновой поверхностью и пазом. Имеется перемычка, штырь, пружина.

Недостатками являются: требование необходимости резкого торможения при посадке компоновки на забой, что может привести к незапланированному срезу шпонок и аварии на забое; фиксирующий элемент не обеспечивает надежной фиксации клина в обсадной колонне из-за отсутствия рельефа на наружной поверхности, что в свою очередь приведет к провороту клина при бурении и потере ориентации зарезки, присутствие пружины, как конструктивного элемента, не гарантирует надежность закрепления пробки на забое.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является отклонитель [4], содержащий переводник, спускной клин, клин-отклонитель с желобообразной поверхностью, клин-отклонитель связан с возможностью радиального перемещения с узлом опоры, в корпусе которого установлены выдвижные в радиальном направлении при взаимодействии с распорным конусом плашки с узлом их фиксации. Отклонитель снабжен подпружиненным толкателем, установленным с возможностью взаимодействия его верхнего торца с клином-отклонителем и связанным хвостовой частью с помощью срезных элементов с распорным конусом, причем клин-отклонитель в нижней части имеет наклонную относительно оси отклонителя сквозную прорезь, а узел опоры - размещенный в прорези палец.

Недостатками прототипа являются: металлоемкость устройства, ненадежность получения заданного угла зарезки второго ствола скважины в связи с тем, что не обеспечивается плотное прилегание клина отклонителя ни в верхней, ни в нижней части после постановки компонента на забой и смещение нижней части за счет наличия прорези под углом к оси отклонителя. В прорези имеется палец, который перемещается вместе с клином в радиальном направлении, но нет фиксирующего элемента, осуществляющего стопорение клина-отклонителя после плотного прилегания боковой поверхности его к стенке скважины. Следовательно, нижняя часть клина-отклонителя может также свободно отклоняться и в противоположную сторону, образуя зазор между поверхностями контакта. Это в свою очередь приведет к изменению угла зарезки скважины, увеличению времени фрезерования окна в обсадной колонне. Нет гарантии плотного прилегания и верхней части клина-отклонителя в связи с тем, что стопоры, сдерживающие верхнюю часть клина-отклонителя от перемещения, рассчитаны на работу в момент спуска компоновки, в процессе же фрезерования при зарезке "окна" стопоры срезаются и между верхней частью клина и стенкой скважины появляется зазор, который приводит к повышению металлосъема клина при фрезеровании, увеличивает время фрезерования, изменяет угол зарезки, уменьшая надежность устройства в работе.

Технической задачей изобретения является разработка клинового отклонителя повышенной надежности для эффективного применения в эксплуатации за счет гарантированного плотного прилегания клина-отклонителя к диаметрально противоположным стенкам обсадной колонны, обеспечивая заданный угол зарезки инструментом, например "окна" в эксплуатационной колонне.

Технический результат достигается тем, что отклонитель, включающий корпус, клин-отклонитель, одна из поверхностей которого выполнена в виде желоба, опору, выполненную сплошной, плашку, срезной болт, технологический болт, соединяющий верхнюю часть клина-отклонителя с элементами спуска компоновки (подвески, райбер), прорезь с пальцем, плашку с возможностью радиального перемещения. Он содержит опору, выполненную в виде клинообразного толкателя, расширенной частью вниз, клин-отклонитель, жестко соединенный с верхней неупругой частью полумуфты при помощи резьбового соединения, которая в свою очередь соединяет клин-отклонитель и корпус при помощи пальца. Корпус, опора-толкатель и полумуфта, расположенная внутри корпуса, зафиксированы срезным болтом, корпус имеет: окно для свободы действия шарнира, окно для свободы передвижения нижней упругой части полумуфты при ее изгибе, окно для размещения плашки. Окно для свободы действия шарнира выполнено плоским в местах контакта с поверхностью полумуфты и размещено в верхней части корпуса, окно для свободы передвижения нижней упругой части полумуфты при ее изгибе выполнено внутри корпуса со сглаженной поверхностью в 1/2 части корпуса. На поверхности опоры-толкателя имеется направляющая, по которой перемещаются плашка и нижняя упругая часть полумуфты.

На фиг. 1 представлен схематически отклонитель клиновой в разрезе. На фиг. 2 приведено сечение по А-А фиг. 1; на фиг. 3 приведено сечение Б-Б фиг. 1; на фиг. 4 приведено сечение В-В фиг. 1; на фиг. 5 показана позиция клина-отклонителя после установки отклонителя на забой. Отклонитель клиновой содержит корпус 1 с окнами 2, 3, 4 (фиг. 1 и сечение А-А, Б-Б и В-В фиг. 1), в корпусе размещена полумуфта с верхней неупругой частью 5 и нижней упругой частью 6, соединенные через прорезь 7 пальцем 8 с корпусом 1 в месте сопряжения - свободной посадкой в "окно" 2 (позиция А-А по фиг. 1). Верхняя часть полумуфты 5 соединена с клином-отклонителем 9 при помощи резьбы 10 и закреплена сваркой. Клин-отклонитель в верхней части закреплен технологическим болтом к подвеске (не показана). Упругая часть полумуфты 6 расположена в корпусе опоры цилиндрической формы, палец, соединяющий через прорезь в полумуфте опору с полумуфтой, жестко закреплен в торцах на опоре, верхняя часть полумуфты 5 соединена с пальцем с возможностью качательного движения по поверхности пальца (фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1). Внутри нижней части корпуса 1 размещена опора в форме распорного клина 11, толщина верхней части которого равна внутреннему радиусу корпуса 1. Опора 11 служит одновременно толкателем и размещена между внутренней поверхностью корпуса 1 и нижней упругой частью 6 полумуфты. Корпус 1, опора 11 и нижняя упругая часть полумуфты 6 соединены болтом 12. В корпусе 1 в окне 4 размещена плашка 13 с зубьями на внешней поверхности. На внутренней поверхности плашки 13 выполнен выступ 14 трапециевидной формы, а на опоре-толкателе 11 имеется направляющая 15, на поверхности которой выполнен паз 16, соответствующий выступу 14 плашки (сечение В-В по фиг. 1).

Причинно-следственная связь
Известные технические решения, целью которых является увеличение плотности прилегания клина-отклонителя решают задачу в основном теоретически, стремясь часто к прилеганию клина к стенке обсадной колонны боковой поверхностью, то есть в основном верхней частью клина-отклонителя, что не решает задачу до конца. Идеальная цель - плотное прилегание клина-отклонителя как верхней, так и нижней части, но к противоположным стенкам, то есть прилегание в двух точках - по диагонали колонны, в точках соприкосновения со стенками скважины. Сопоставляя прототип и предлагаемый отклонитель, получаем принципиально новое решение, так как использовано шарнирное соединение между клином-отклонителем 9 и опорой 11 при помощи верхней части полумуфты 5 и пальца 8. Опора 11 одновременно служит толкателем, так как выполнена в форме клина, но с толщиной в верхней торцевой части, равной внутреннему радиусу корпуса 1, что позволяет осуществить перемещение клина-отклонителя и установку его с заданным углом зарезки за счет жесткого соединения клина-отклонителя с верхней частью полумуфты 5 и перемещения опоры-толкателя в корпус 1 до упора, сместив нижнюю упругую часть полумуфты 6 в окно 2 под углом, обеспечивающим плотное прилегание клина-отклонителя сверху и снизу без зазора. Такое техническое решение гарантирует плотное прилегание плашки к стенке обсадной колонны, так как опора-толкатель не только выдвигает полумуфту в окно 3 и фиксирует ее на стенке, но и за счет наличия внутреннего паза на направляющей поверхности, который способствует беспрепятственному перемещению до упора толкателя, не допускает рассоединения плашки с опорой. Палец, соединяющий верхнюю часть полумуфты 5 с корпусом 1, обеспечивает прочность крепления и не допускает перемещения вдоль прорези (как в прототипе) за счет сварного соединения с торцов и прочности материала, из которого выполнен палец, предельная прочность которого должна превышать уровень усилий давления, оказываемого на него как в момент изгиба нижней части полумуфты, так и в процессе эксплуатации отклонителя на забое. Связь элементов компоновки значительно проще, чем у прототипа, но техническая задача решена надежнее и более технологично. Устройство выполнено в металле, испытано и продемонстрировало промышленную применимость.

Отклонитель клиновой работает следующим образом:
Отклонитель на колонне бурильных труб (не показано) спускают в скважину на забой. Производят разгрузку бурильной колонны (≈P = 2 тонны). В процессе разгрузки происходит срезание болта 12, соединяющего корпус 1, опору-толкатель 11 и нижнюю часть полумуфты 6. После среза болта 12 под действием осевой нагрузки опора-толкатель перемещается вверх до упора. При этом происходит смещение клина - отклонителя 9 к стенке обсадной колонны в месте пальцевого соединения за счет возникающей упругой деформации нижней части полумуфты 6, которая изгибается за счет скольжения по направляющей 15 опоры 11. Одновременно плашка 13 из окна 4 перемещается в радиальном направлении в пазе 16 выступом 14 и врезается зубьями в стенку обсадной колонны (не показано), создавая опору для клина-отклонителя 9. Клин-отклонитель 9 за счет смещения в пальцевом соединении в окне 2 на угол отклонения, определяемый перемещением опоры-толкателя в корпусе 1, прижимается к стенке скважины со стороны, противоположной желобу. После того как опора-толкатель 11 дойдет до упора в корпусе 1, полумуфта 6 вытолкнется в окно 3 своей нижней частью и останется там в состоянии упругой деформации (фиг. 2). Одновременно с этим плашка, передвигаясь по пазу 16 выступом 14 по направляющей 15 опоры 11, перемещается в радиальном направлении за счет вытеснения ее из окна 4 опоры 11. Плашка зубьями плотно закрепляется в стенке обсадной колонны, обеспечивая прижим корпуса к эксплуатационной колонне. Получают двойную гарантию плотной без зазора посадки клина-отклонителя к стенкам обсадной колонны по диагонали относительно оси корпуса 1. За счет жесткого крепления клина-отклонителя 9 с верхней частью полумуфты 5 при помощи резьбы 10 и сварки и шарнирного соединения с корпусом 1 получаем гибкую систему компоновки, управляемую многофункциональным элементом - опорой 11, которая является вначале толкателем, а затем фиксирующим элементом и для нижней части полумуфты, и для плашки, и для клина-отклонителя, перемещаясь постепенно в корпусе 1 до упора. Верхняя часть полумуфты 5 имеет резьбу 10 на внутренней поверхности только в месте контакта с клином-отклонителем 9, остальная часть поверхности, расположенная в корпусе шарнира 1, не содержит резьбы, так как необходима свобода перемещения верхней части полумуфты 5 при отклонении нижней части полумуфты 6 опорой 11. После фиксации плашки и полумуфты опорой в стенке колонны гарантируется плотный прижим как верхней части клина-отклонителя, так и нижней, что невозможно достичь устройством-прототипом. Отсутствие зазора в этих местах четко удерживает заданный угол зарезки, уменьшается металлосъем клина при фрезеровании, что в свою очередь обеспечивает более качественную, чем в прототипе, работу фрезы с меньшими усилиями резания. В связи с этим работоспособность клина-отклонителя в сравнении с прототипом увеличивается.

В предлагаемом отклонителе основные элементы компоновки (опора, клин-отклонитель, полумуфта) выполнены из сталь 40Х, но допускается ст. 65 Г (ГОСТ 14959-79). Полумуфта выполнена цельно, нижняя часть которой подвержена специальной термообработке для получения заданных упругих свойств. Плашка выполнена из стали У7 (ГОСТ 1435-90). Рельеф поверхности плашки выполнен винтовой нарезкой. Болт срезной выполнен из стали, рассчитанной на усилие среза. Направляющая выполнена фрезерованием на поверхности опоры со стороны расположения плашки. Палец выполнен из стали, рассчитанной на прочность более высокую, чем возникающие осевые нагрузки на клин-отклонитель. Опора в верхней части имеет толщину, равную внутреннему радиусу корпуса шарнира, обеспечивая своим перемещением надежное прилегание клина-отклонителя в нижней части полумуфты, и гарантирует высокую надежность фиксации клина-отклонителя к стенкам обсадной колонны без зазора в верхней и нижней частях клина. Опора выполнена в виде распорного клина расширенной частью размещенной вниз, а верхняя часть - в 2 раза уже, чем нижняя часть. Полумуфта расположена с зазором между корпусом и клином-отклонителем, позволяющим при изгибе занять свободное положение в окне корпуса и зафиксироваться в стенке обсадной колонны на заданный угол зарезки окна в обсадной колонне. Опора, выполненная в верхней части с меньшим размером, чем внутренний радиус корпуса, не обеспечивает функцию толкателя, а большего, чем внутренний радиус корпуса - ослабляет прочность полумуфты и излишне металлоемка.

По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение имеет преимущества:
- оно проще в выполнении элементов компоновки и технологичнее в сборке;
- оно обладает при меньшем количестве элементов компоновки большей управляемостью за счет жесткости соединений клина-отклонителя с шарниром за счет постоянного нагружения устройства при транспортировке на забой и многофункциональности опоры отклонителя;
- способствует плавному и надежному закреплению клина в верхней и нижних частях и сохраняет режим безаварийной работы;
- оно обеспечивает повышенную надежность работы отклонителя по зарезке окна в обсадной колонне за счет двойного закрепления и плотного прилегания клина-отклонителя в месте контакта полумуфты и плашки к стенке обсадной колонны. За счет наличия шарнирного элемента, размещенного между клином-отклонителем и опорой, его изгибающим усилиям и надежной фиксации опорой-толкателем усиливается эффект плотного прилегания верхней части клина-отклонителя к противоположной стороне обсадной колонны. В результате эффективного суммарного действия элементов компоновки отклонителя клинового обеспечивается значительно более надежное прилегание, без зазоров, клина-отклонителя к стенкам обсадной колонны. В отличие от прототипа это прилегание осуществлено по диагонали - верхней и нижней частью клина. В прототипе осуществлено прилегание клина-отклонителя только по боковой стороне в нижней части клина.

Список информации, принятой во внимание
1. А.С. N 855175, МКИ E 21 В 7/08, от 10.12.80 г. (аналог).

2. А.С. N 1469075, МКИ E 21 В 7/08, от 21.04.87 г. (аналог).

3. А.С. N 981556, МКИ E 21 В 7/08, от 17.08.79 г. (аналог).

4. А.С. N 1089224, МКИ E 21В 7/08, от 15.12.81 г. (прототип).

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для увеличения проходного сечения для инструмента при прорезании окна в эксплуатационной колонне, проводке второго ствола и подземного оборудования при дальнейшей эксплуатации скважины. Отклонитель клиновой обеспечивает повышенную надежность при эффективном применении в эксплуатации за счет полной гарантии плотного прилегания клина-отклонителя к диаметрально противоположным стенкам обсадной колонны, обеспечивающим заданный угол зарезки инструментом, например, окна в эксплуатационной колонне. Технический результат достигается тем, что отклонитель клиновой, содержащий клин-отклонитель, опору, плашки с зубьями на внешней поверхности, срезной болт, содержит шарнир, выполненный в виде полумуфты, имеющей неупругую и упругую часть, неупругая часть полумуфты соединена жестко с клином-отклонителем, а упругая часть расположена в корпусе опоры цилиндрической формы с возможностью качательного движения полумуфты относительно поверхности пальца, соединяющего их, опора выполнена в виде корпуса цилиндрической формы и распорного клина, размещенного в зазоре между упругой частью и корпусом и закрепленного срезным болтом, полумуфта размещена в верхней части опоры в окне корпуса с возможностью перемещения и выхода нижней упругой части полумуфты к стенке обсадной колонны в окно, выполненное в задней части корпуса опоры цилиндрической формы, плашка на внутренней поверхности выполнена в виде выступа трапециевидной формы, а на части опоры, выполненной в виде распорного клина, имеется паз, форма которого соответствует выступу. 5 ил.

Отклонитель клиновой, содержащий клин-отклонитель, опору, плашку с зубьями на внешней поверхности, срезной болт, отличающийся тем, что он содержит шарнир, выполненный в виде полумуфты, имеющей неупругую и упругую часть, неупругая часть полумуфты соединена жестко с клином-отклонителем, а упругая часть полумуфты расположена в корпусе опоры цилиндрической формы с возможностью качательного движения по поверхности пальца, соединяющего их, и зафиксирована от продольных перемещений жестким соединением торцов пальца с корпусом опоры, опора выполнена в виде корпуса цилиндрической формы и распорного клина, размещенного в зазоре между упругой частью и корпусом и закрепленного срезным болтом, полумуфта размещена в верхней части опоры в окне корпуса с возможностью перемещения и выхода нижней упругой части полумуфты к стенке обсадной колонны в окно, выполненное в задней части корпуса опоры цилиндрической формы, плашка на внутренней поверхности выполнена в виде выступа трапециевидной формы, а на части опоры, выполненной в виде распорного клина, имеется паз по форме соответствующий выступу.