СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОРИЕНТИРОВАНИЯ В МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ Российский патент 2015 года по МПК E21B47/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к способам и оборудованию, применяемым в технологических процессах, связанных с эксплуатацией подземной скважины, и, согласно описанному ниже варианту, в частности к способу и устройству для ориентирования обсадных колонн или заливочных колонн.

Уровень техники

Для обеспечения азимутального ориентирования приспособлений (предварительно вырезанного окна в обсадной колонне, ориентирующего запорного механизма, технологического узла эксплуатационной колонны и т.д.) в стволе скважины в известных системах для ориентирования обычно применяются инклинометрические средства измерения параметров ствола в процессе бурения или другие устройства ориентирования по пульсации давления. К сожалению, при ограничении обратного потока (например, в кольцевом пространстве между внутренней заливочной колонной и наружной обсадной колонной или ее хвостовиком), а также вследствие появления «неритмичных» колебаний давления в процессе регулирования сопротивления обратному потоку на значительной глубине такого рода пульсации давления в значительной степени затухают. В таких условиях пульсации давления и соответствующие им передаваемые данные с трудом поддаются анализу и интерпретации на поверхности.

Кроме того, типовые инклинометрические средства измерения параметров ствола в процессе бурения не могут цементироваться насквозь, характеризуются высокой стоимостью и не допускают сквозное прохождение пробок для высвобождения спускных инструментов, установки подвесных устройств, пакеров и т.п.Операции по специальному вводу в скважину инклинометрических средств измерения параметров ствола в процессе бурения и их выводу оттуда сопряжены с дополнительными временными затратами и расходами. Кроме того, организация ввода инклинометрических средств измерения параметров ствола в процессе бурения в наклонно-направленные или горизонтальные скважины на каротажном кабеле, а также подача этих средств в ствол скважины под давлением представляют дополнительные технические трудности.

Таким образом, очевидно, что задача улучшения известных средств ориентирования приспособлений в стволах скважин является актуальной.

Раскрытие изобретения

Первый аспект настоящего изобретения состоит в том, что предложено устройство для ориентирования приспособления в наклонном стволе скважины, причем устройство содержит ориентирующий переводник, соединенный с наружным корпусом с возможностью разъединения и имеющий предварительно заданную ориентацию относительно приспособления, при этом требуемая ориентация приспособления в скважине определяется по изменению давления флюида на предварительно определенную величину при известном расходе потока, протекающего через ориентирующий переводник.

Ориентирующий переводник может содержать втулку, которая может вращаться вместе с наружным корпусом; и ориентирующий механизм, соединенный с втулкой, вместе с которой он может вращаться. Ориентирующий механизм может содержать следующие компоненты: наружная гильза, соединенная с втулкой, вместе с которой она может вращаться; и внутренняя гильза, которая может вращаться вместе с наружной гильзой, причем ориентация внутренней гильзы относительно приспособления постоянна, изменение давления происходит при повороте внутренней гильзы до некоторого положения, соответствующего определенной ориентации в скважине. Ориентирующий механизм может содержать поршень, который может перемещаться в осевом направлении относительно внутренней гильзы, причем в первом положении поршня задается первая траектория движения потока, соответствующая нежелательному положению приспособления, а во втором положении поршня задается вторая траектория движения потока, которая характеризуется большим сопротивлением потоку и соответствует требуемому положению и желательной ориентации приспособления, что сопровождается увеличением давления. Устройство далее может содержать свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, выполненной в наружной поверхности поршня, причем во внутренней гильзе имеется приемник для свободно перемещающегося шарика, приспособление занимает положение, соответствующее требуемой ориентации в скважине, когда положение приемника выровнено по местоположению свободно перемещающегося шарика, при этом поршень может передвигаться из первого положения во второе при постоянном расходе потока. Устройство далее может содержать упор, предотвращающий перемещение поршня из первого положения во второе до тех пор, пока приспособление не примет положение, соответствующее его требуемой ориентации в скважине. Устройство далее может содержать следующие компоненты: свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, выполненной на наружной поверхности поршня, причем свободно перемещающийся шарик находится в самой нижней части оболочки, если обсадная колонна находится в наклонной скважине; и гильзу, расположенную в оболочке, с упором на верхнем конце гильзы, причем гильза имеет приемник для свободно перемещающегося шарика. Поршень может иметь сквозной осевой проточный канал и множество проточных отверстий в его стенке, причем осевой проточный канал и проточные отверстия находятся на участке как первой, так и второй траекторий движения потока. Устройство может содержать следующие компоненты: втулка, прикрепленная к наружному корпусу с возможностью разъединения; и наружная гильза, соединенная с нижним концом втулки, причем к втулке с возможностью разъединения прикреплена отпускающая муфта, наружная гильза и поршень содержат часть ориентирующего механизма, который далее имеет ориентирующую гильзу, прикрепленную к наружной гильзе, причем ориентирующая гильза предотвращает перемещение поршня во второе положения до тех пор, пока в результате поворота обсадной колонны приспособление не примет положение, соответствующее требуемой ориентации. Устройство далее может содержать свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, проходящей по окружному периметру поршня, причем ориентирующий механизм имеет приемник для свободно перемещающегося шарика, попадающего в него при повороте приспособления в положение, соответствующее требуемой ориентации. Центр приемника может располагаться на угловом расстоянии 180° от центральной линии приспособления.

Второй аспект настоящего изобретения состоит в том, что предложено устройство для ориентирования приспособления в обсадной колонне, спущенной в скважину, причем устройство содержит следующие компоненты: наружный корпус, соединяемый с обсадной колонной; оболочка, закрепленная в наружном корпусе с возможностью разъединения; отпускающая муфта, прикрепленная к оболочке с возможностью разъединения; поршень, который может перемещаться в оболочке между первым и вторым положениями, причем в первом положении задается первая траектория движения потока через оболочку, а во втором положении задается вторая траектория движения потока через оболочку, причем требуемая ориентация приспособления в скважине определяется по увеличению давления флюида при постоянном расходе потока, протекающего через оболочку, при нахождении поршня во втором положении.

Устройство далее может содержать упор, предотвращающий перемещение поршня из первого положения во второе до тех пор, пока приспособление не примет положение, соответствующее его требуемой ориентации в скважине. Устройство далее может содержать следующие компоненты: свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, выполненной на наружной поверхности поршня, причем свободно перемещающийся шарик находится в самой нижней части оболочки, если обсадная колонна находится в наклонной скважине; и гильзу, расположенную в оболочке, с упором на верхнем конце гильзы, причем гильза имеет приемник для свободно перемещающегося шарика. Поршень может иметь сквозной осевой проточный канал и множество проточных отверстий в его стенке, причем осевой проточный канал и проточные отверстия находятся на участке как первой, так и второй траекторий движения потока. Устройство может содержать следующие компоненты: втулка, прикрепленная к наружному корпусу с возможностью разъединения; и наружная гильза, соединенная с нижним концом втулки, причем к втулке с возможностью разъединения прикреплена отпускающая муфта, наружная гильза и поршень содержат часть ориентирующего механизма, который далее имеет ориентирующую гильзу, прикрепленную к наружной гильзе, причем ориентирующая гильза предотвращает перемещение поршня во второе положения до тех пор, пока в результате поворота обсадной колонны приспособление не примет положение, соответствующее требуемой ориентации. Устройство далее может содержать свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, проходящей по окружному периметру поршня, причем ориентирующий механизм имеет приемник для свободно перемещающегося шарика, попадающего в него при повороте приспособления в положение, соответствующее требуемой ориентации. Центр приемника может располагаться на угловом расстоянии 180° от центральной линии приспособления. Ориентирующий переводник может содержать втулку, которая может вращаться вместе с наружным корпусом. Ориентирующий механизм соединен с втулкой, вместе с которой он может вращаться. Ориентирующий механизм может содержать следующие компоненты: наружная гильза, соединенная с втулкой, вместе с которой она может вращаться; и внутренняя гильза, которая может вращаться вместе с наружной гильзой, причем ориентация внутренней гильзы относительно приспособления постоянна, изменение давления происходит при повороте внутренней гильзы до некоторого положения, соответствующего определенной ориентации в скважине. Ориентирующий механизм может содержать поршень, который может перемещаться в осевом направлении относительно внутренней гильзы, причем в первом положении поршня задается первая траектория движения потока, соответствующая нежелательному положению приспособления, а во втором положении поршня задается вторая траектория движения потока, которая характеризуется большим сопротивлением потоку и соответствует требуемому положению и желательной ориентации приспособления, что сопровождается увеличением давления. Устройство далее может содержать свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, выполненной в наружной поверхности поршня, причем во внутренней гильзе имеется приемник для свободно перемещающегося шарика, приспособление занимает положение, соответствующее требуемой ориентации в скважине, когда положение приемника выровнено по местоположению свободно перемещающегося шарика, при этом поршень может передвигаться из первого положения во второе при постоянном расходе потока.

Третий аспект настоящего изобретения состоит в том, что предложен способ ориентирования приспособления в трубе в наклонной скважине, который включает: позиционирование ориентирующего механизма и приведение его в определенное положение относительно приспособления; установка ориентирующего механизма в трубчатой колонне в определенном положении; спуск трубчатой колонны в наклонную скважину на требуемую глубину; подача флюида через ориентирующий механизм с заданным расходом потока; измерение давления потока в ориентирующем механизме; поворот трубы в скважине с контролем результатов измерения давления до тех пор, пока в результате регистрации изменения давления не будет указано на известное положение устройства, соответствующее его требуемой ориентации в наклонной скважине, причем приспособление занимает требуемое положение в том случае, если ориентирующий механизм принимает положение, соответствующее известной ориентации; и отсоединение ориентирующего механизма от трубчатой колонны после достижения приспособлением положения, соответствующего его требуемой ориентации.

Способ далее может включать: прерывание потока флюида перед поворотом трубы в скважине; возобновление потока флюида после поворота трубы; измерение давления; и повторение цикла «прерывание потока - поворот трубы - возобновление потока» до тех пор, пока по результатам измерения давления ориентирующий механизм не достигнет положения, соответствующего известной ориентации. Результатами измерения давления могут быть показания первого значения давления, соответствующего нежелательной ориентации приспособления, и показания второго - повышенного - значения давления, соответствующего требуемой ориентации приспособления в скважине. Если трубчатая колонна представляет собой обсадную колонну, способ далее может включать этап заливки цемента в обсадную колонну и кольцевое пространство между обсадной колонной и стенками ствола скважины после отсоединения ориентирующего механизма. Этап отсоединения может включать перемещение пробки и повышение давления в обсадной колонне для отсоединения ориентирующего механизма от обсадной колонны. Ориентирующий механизм может быть соединен с наружным корпусом с возможностью разъединения, причем при соединении наружного корпуса с обсадной колонной наружный корпус становится ее составной частью.

Устройство для ориентирования приспособления в наклонном стволе скважины содержит ориентирующий переводник, установленный в наружном корпусе с возможностью разъединения. Ориентирующий переводник имеет предварительно заданную или предварительно определенную ориентацию относительно приспособления. Требуемая ориентация приспособления в скважине определяется по изменению давления флюида на предварительно определенную величину при известном расходе потока, протекающего через данный ориентирующий переводник. Ориентирующий переводник прикреплен к наружному корпусу, от которого он может отсоединиться, если приспособление находится в положении, соответствующем требуемой ориентации. Ориентирующий переводник имеет втулку и соединенный с ней ориентирующий механизм, который может вращаться вместе с втулкой. Ориентирующий механизм имеет предварительно заданную ориентацию относительно приспособления. Таким образом, изменение давления, указывающее на определенное местоположение ориентирующего механизма, является показателем того, что приспособление имеет требуемую ориентацию.

Способ ориентации приспособления может включать позиционирование ориентирующего механизма, в результате которого он занимает предварительно заданное положение относительно приспособления; и соединение ориентирующего механизма в трубчатой колонне в предварительно заданном положении. Способ далее может включать спуск трубчатой колонны в наклонную скважину с подачей в нее флюида с заданным расходом потока; и измерение результирующего давления потока. Затем поток прерывается, труба поворачивается в скважине, и поток возобновляется. Производится измерение давления. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет зарегистрировано изменение давления - в данном случае увеличение давления, - которое указывает на достижение приспособлением положения, соответствующего требуемой ориентации.

Краткое описание графических материалов

Фиг.1 показывает схематическое изображение обсадной колонны с погруженным в скважину ориентирующим переводником.

Фиг.2 показывает обсадную колонну после ее поворота, в результате которого находящееся в ней приспособление находится в требуемом положении.

Фиг.3 показывает поперечный разрез ориентирующего переводника, описанного в данном документе.

Фиг.4 показывает поперечный разрез ориентирующего переводника, повернутого в требуемое положение.

Фиг.5 показывает ориентирующий переводник, аналогичный приведенному на фиг.3, после отсоединения в нем отпускающей муфты от втулки.

Фиг.6 показывает ориентирующий переводник после его отсоединения от его наружного корпуса.

Фиг.7 показывает перспективный вид в поперечном разрезе ориентирующего переводника и свободно перемещающегося шарика, находящегося в приемнике.

Осуществление изобретения

Следует понимать, что различные описанные в данном документе варианты осуществления изобретения могут характеризоваться разного рода пространственной ориентацией, в том числе наклонной, перевернутой, горизонтальной, вертикальной и т.п., а также применяться в разных конфигурациях без отклонения от сути настоящего изобретения. Описанные варианты осуществления изобретения приведены только в качестве примеров практического применения принципов настоящего изобретения, которые не ограничиваются какими-либо конкретными особенностями данных вариантов осуществления изобретения.

В приведенном описании вариантов осуществления изобретения слова, соответствующие указателям направления, такие как «над», «под», «верхний», «нижний» (с учетом их парадигм) и т.п., использованы для удобства иллюстрации информации, приведенной на соответствующих чертежах. В общем смысле, слова «над», «верхний», «вверх» (с учетом их парадигм) и т.п. выражают направление относительно скважины к поверхности земли, а слова «под», «нижний», «вниз» (с учетом их парадигм) и т.п. выражают направление относительно скважины от поверхности земли.

На фиг.1 показан пример системы 10 и проиллюстрирован способ ориентирования приспособления 12 в наклонно-направленном стволе 14 подземной скважины согласно принципам настоящего изобретения. В настоящем варианте осуществления изобретения приспособление 12 представляет собой окно для использования в бурении многоствольной скважины, пересекающей ствол 14 скважины, при этом ориентирование других видов приспособлений может достигаться путем реализации принципов настоящего изобретения. Окно 12 имеет центральную ось 13.

В системе 10 требуется азимутальное ориентирование окна 12 относительно ствола 14 скважины. Как показано на фиг.1, ствол скважины находится фактически в горизонтальном положении, однако ствол скважины иметь иное отклонение от вертикали.

Требуемой ориентацией окна 12 в данном примере является положение вертикально вверх относительно ствола 14 скважины. Окно 12 имеется в трубчатой колонне или трубе 16 (например, обсадной колонне с хвостовиком). Трубчатая колонна должна поворачиваться в стволе 14 скважины до тех пор, пока окно не будет ориентировано вертикально вверх. В описанном варианте осуществления изобретения трубчатая колонна 16 представляет собой обсадную колонну, которая цементируется в стволе 14 скважины.

Следует понимать, что возможны иные варианты ориентации приспособлений, отличные от вертикального положения, без отклонения от сути настоящего изобретения. Например, окно 12 при необходимости может быть ориентировано вертикально вниз или в любом другом направлении, что достигается путем выравнивания окна 12 относительно положения ориентирующего переводника 18, который также взаимосвязан с трубчатой колонной 16 и является ее частью. На фиг.1 показан пример, в котором ориентирующий переводник 18 и окно 12 выровнены до ввода трубчатой колонны 16 в ствол 14 скважины.

Приспособления, отличные от окна 12, дополнительно или в ином случае, могут быть сориентированы относительно ствола 14 скважины при помощи ориентирующего переводника. Например, иное ориентируемое приспособление 22 может представлять собой запорный механизм, предназначенный для фиксации и ориентирования далее установленных фрезеровальных и бурильных отклонителей и дефлекторов.

Еще одно ориентируемое приспособление 24 может представлять собой выравниватель, предназначенный для ориентирования и позиционирования далее установленного оборудования заканчивания относительно окна 12, ствола 14 скважины и/или трубчатой колонны 16.

Как показано на фиг.1, для ввода обсадной колонны 16 в ствол 14 скважины используется заливочная колонна 26. На нижнем конце заливочной колонны 26 имеется монтажный инструмент 28, предназначенный для установки подвески 30 на верхнем конце трубчатой колонны 16.

До герметизации кольцевого пространства 34 между подвеской 30 и предварительно зацементированной обсадной колонной 36 или ее хвостовиком, проходящим к поверхности, через заливную колонну 26, через обсадную колонну 16, через цементируемый обратный клапан 38 башмака 40 обсадной колонны на нижнем конце трубчатой колонны 16 может циркулировать флюид 32, протекающий в кольцевое пространство 42 между обсадной колонной 16 и стволом 14 скважины и через кольцевое пространство 34 к поверхности.

Наблюдение за относительной разностью давлений в ориентирующем переводнике 18 при циркуляции флюида 32 через обсадную колонну 16 может осуществляться удаленным способом, например на поверхности земли или в другом месте поверхности буровой площадки. Например, для наблюдения за давлением, действующим на заливочную колонну 26, и давлением в обсадной колонне 36 может использоваться один или несколько манометров (не показаны).

При использовании устройства 18 изменение в нем разности давлений при определенном расходе потока флюида 32 может указывать на факт достижения требуемой ориентации приспособления 12, 22 и/или 24. В описанном варианте осуществления изобретения увеличение давления указывает на требуемое положение ориентирующего переводника, что в свою очередь указывает на требуемую ориентацию приспособления 12. Заливочная колонна 26 может использоваться для поворота обсадной трубы 16 в стволе 14 скважины до положения, характеризующегося повышенной разностью давлений. В этом положении поворот может быть прекращен или при необходимости продолжен с целью достижения другой требуемой ориентации приспособления 12 на другом приспособлении.

Предпочтительно, что флюид 32 не протекает непрерывно через обсадную колонну 16 при ее повороте - напротив, при повороте обсадной колонны 16 циркуляция флюида 32 прерывается. После продолжения поворота обсадной трубы 16 на некоторый угол циркуляция флюида 32 возобновляется с тем же расходом потока, при этом на основе разности давлений в ориентирующем переводнике 18 устанавливается факт достижения требуемой ориентации. Если требуемое положение не достигнуто, процессы прерывания циркуляции, поворота обсадной колонны 16 и возобновления циркуляции повторяются до тех пор, пока не будет достигнута требуемая ориентация. Изменение давления может регистрироваться по результатам измерения давления в насосе у поверхности.

Специалистам известно и понятно, что определенная величина поворота у поверхности может сопровождаться меньшим поворотом по месту расположения ориентирующего переводника вследствие трения и прочих факторов. Для достижения точного положения ориентирующего переводника перед возобновлением циркуляции может потребоваться временная выдержка после поворота. Чтобы удостовериться в том, что ориентирующий переводник 18 и, следовательно, приспособление 12 находятся в требуемом положении, также может потребоваться однократный или многократный цикл, состоящий из следующей последовательности действий: возобновление циркуляции, прерывание циркуляции, ожидание, возобновление циркуляции.

На фиг.3 и остальных чертежах показано, что ориентирующий переводник 18 находится в наружном корпусе 50 и своими верхним и нижним концами 52 и 54 может соединяться с обсадной колонной 16 и таким образом являться ее частью. У наружного корпуса 50 есть внешняя поверхность 56 и внутренняя поверхность 58, на которой имеется резьба 60. Внутренняя поверхность 58 характеризуется первым внутренним диаметром 62, вторым внутренним диаметром 64 на резьбовом участке, и третьим внутренним диаметром 66. В наружном корпусе 50 расположена втулка 68, имеющая основную часть 70 и множество отходящих от нее кулачков 72. На наружной поверхности 76 кулачков 72 втулки имеется резьба 74, стыкующаяся с резьбой 60 на наружном корпусе 50. Основная часть 70 втулки может иметь горловину с резьбой или нарезное удлинение 78. Во втулке 68 имеется сквозной центральный проточный канал 80.

Во втулке 86 расположена отпускающая муфта 86, нижний конец 88 которой может выполнять функцию стопора, препятствующего повороту и, следовательно, может иметь зубцы 89. В резьбовом соединении с отпускающей муфтой 86 находится отпускающее кольцо 90. Отпускающая муфта 86 прикреплена к втулке 68, предпочтительно к ее основной части 70, срезными штифтами 92 с возможностью разъединения.

К отпускающей муфте 86 посредством резьбового соединения 96 прикреплена крышка 94, имеющая скошенную или наклонную наружную поверхность 98. Клин, который может представлять собой стопорный клин 100, опоясывает крышку 94 и имеет скошенную или наклонную внутреннюю поверхность 102, стыкующуюся со скошенной или наклонной наружной поверхностью 98 крышки 94. Клин 100 может представлять собой кольцевую разрезную шпонку. К крышке 94 посредством резьбового соединения 106 прикреплено стопорное кольцо 104, которое накручивается на крышку 94 и при этом создает и передает на охватывающий крышку 94 клин 100 усилие, прикладываемое к кулачкам 72 втулки и направленное радиально наружу, что способствует поддержанию сцепления между кулачками 72 втулки и наружным корпусом 50.

К крышке 94 посредством резьбового соединения может прикрепляться гнездо 110 под цементировочную пробку. Гнездо 110 для пробки может иметь стопор, препятствующий повороту и, таким образом, может содержать стопорное кольцо 112 с имеющимися на нем зубцами 113. Стопорное кольцо 112 может присоединяться посредством резьбы или другого известного способа крепления. Втулка 68, предпочтительно ее основная часть 70, также может иметь стопорное кольцо 114 с зубцами 116. Как подробно описано ниже, втулка 68 соединена с наружным корпусом 50 с возможностью перемещения через обсадную колонну 16. При приложении направленной вниз силы определенного значения срезные штифты 92 ломаются, в результате чего отпускающая муфта 86 может перемещаться вниз, а кулачки 72 втулки при этом могут отгибаться радиально внутрь, при этом происходит извлечение ориентирующего переводника 18 из наружного корпуса 50.

К втулке 68 присоединен, предпочтительно посредством резьбы, ориентирующий механизм 118, содержащий наружную гильзу 120, которая состоит из первой или верхней части 122 и второй или нижней части 124. Наружная гильза 120 имеет внутреннюю поверхность 126, которая характеризуется первым внутренним диаметром 128 на первой части 122 и вторым внутренним диаметром 130 на второй или нижней части 124. Второй внутренний диаметр 130 больше первого внутреннего диаметра 128. Таким образом, внутренняя поверхность 126 является ступенчатой.

Наружная гильза 120 прикреплена к основной части 70 втулки посредством резьбового соединения 132. Основная часть 70 втулки имеет обращенный вниз выступ 134, к которому может примыкать самый верхний конец 140 наружной гильзы 120, когда последняя соединена с втулкой 68. Основная часть 70 втулки может охватываться высокоэластичным кольцом 136, имеющим наклонную внутреннюю поверхность 138, и может удерживаться на месте самым верхним концом 140 наружной гильзы 120. Для обеспечения прочного сцепления между высокоэластичным кольцом 136 и наружным корпусом 50 может использоваться уплотнительное кольцо 137, передающее высокоэластичному кольцу 136 направленное радиально наружу усилие. Наклонная внутренняя поверхность 138 стыкуется с наклонной поверхностью 139, расположенной на основной части 70 втулки. На нижнем конце нижней части 124 наружной гильзы 120 или рядом с ним на участке с внутренним диаметром 130 имеется резьба 141.

Ориентирующий механизм 118 далее содержит внутреннюю гильзу 146, которая может представлять собой ориентирующую гильзу 146. Внутренняя гильза 146 имеет ступенчатую наружную поверхность 148. Таким образом, внутренняя гильза 146 может иметь верхнюю часть 150 с первым наружным диаметром 151 и ступенчато выдающуюся относительно нее вторую или нижнюю часть 152 со вторым наружным диаметром 153.

Верхняя часть 150 предпочтительно входит в верхнюю часть 122, а нижняя часть 152 предпочтительно плотно входит в нижнюю часть 124 наружной гильзы 120. Гнездо 154 предназначено для выравнивания давления и проходит от самого верхнего конца 156 ориентирующей гильзы 146 вниз через ее первую часть 150. Ориентирующая гильза 146 имеет паз или приемник 158 с продольной осью или центром 159 в его верхней части. Сквозь наружную гильзу 120 и предпочтительно сквозь ее нижнюю часть 124 проходят зажимные винты 160, входящие в сцепление с нижней частью 152 ориентирующей гильзы 146 для ее крепления к наружной гильзе 120. Таким образом, вращательное движение наружной гильзы 120 вызывает вращательное движение ориентирующей гильзы 146. Аналогичным образом, вследствие резьбового соединения наружной гильзы 120 с втулкой 68, поворот последней вызывает вращение наружной гильзы 120. Поворот наружного корпуса 50 приводит к вращению втулки 68.

Ориентирующий механизм далее содержит поршень 166, плотно входящий в основную часть 70 втулки, предпочтительно в ее нижнюю часть, и аналогичным образом плотно по скользящей посадке входящий в ориентирующую гильзу 146. Как показано на чертежах, поршень 166 входит в первую часть 150 ориентирующей гильзы 146. Внутренняя поверхность 168 поршня 166 ограничивает проходящий через него центральный проточный канал 170. В стенке 173 поршня 166 имеется множество радиальных проточных отверстий 172. Наружная поверхность 174 поршня 166 характеризуется первым наружным диаметром 176 и вторым наружным диаметром 178. Радиальные отверстия 172 предпочтительно расположены в стенке 173 по первому диаметру 176 и сообщают центральный проточный канал 170 с кольцевым пространством 179, образованным между поршнем 166 и ориентирующей гильзой 146. Внутренняя поверхность 168 поршня 166 характеризуется первым внутренним диаметром 180 и вторым внутренним диаметром 182, причем второй внутренний диаметр 182 больше первого внутреннего диаметра 180.

На наружной поверхности 174 поршня 166 имеется канавка 184, располагающаяся по периметру или по окружному направлению. В канавке 184 находится свободно перемещающийся шарик 186 и, как показано на фиг.3, его движение в ней ограничено наружной гильзой 120. Как подробно описано ниже, ограничителем движения свободно перемещающегося шарика 186 является самый верхний конец 156 ориентирующей гильзы 146. В наклонной скважине свободно перемещающийся шарик 186 покоится в нижней части ориентирующего переводника 18 относительно ствола 14 скважины. Таким образом, свободно перемещающийся шарик 186 находится непосредственно напротив верхней части ствола 14 скважины. Как сказано в данном документе, свободно перемещающийся шарик 186 является достаточно тяжелом, чтобы упасть в нижнюю часть ствола скважины, однако следует понимать, что при этом плотность свободно перемещающегося шарика 186 такова, что он плавает на поверхности флюида в скважине и при этом может перемещаться в верхнюю часть скважины.

Кольцевое пространство 179 делится на первую и вторую части 188 и 189. Вторая часть 189 кольцевого пространства 179 больше первой части 188.

К поршню 166 по месту его первого внутреннего диаметра 180 посредством резьбового или иного соединения прикреплен мембранный узел 190, содержащий корпус 192 мембраны и мембрану 194, прикрепленную к нему известным способом. По месту второго внутреннего диаметра 182 может быть установлено стопорное кольцо 196 с центральным отверстием 197.

К наружной гильзе 120 прикреплена, предпочтительно посредством резьбового соединения, донная крышка 200 с центральным отверстием 200, характеризующимся первым, вторым и третьим внутренними диаметрами 204, 206, 208. По месту перехода центрального отверстия 200 от второго внутреннего диаметра 206 к третьему внутреннему диаметру 208 имеется выступ 210, обращенный вверх. В отверстии 202 донной крышки 200 расположен смещаемый элемент 212, который может представлять собой пружину, имеющую первый или верхний конец 214, сцепленный с корпусом 192 мембраны, и второй или нижний конец 216, сцепленный с выступом 210. Пружина 212 сообщает направленную вверх силу корпусу 192 мембраны и, следовательно, поршню 166. На донной крышке 200 установлены стопорные кольца 218 и 220, препятствующие повороту.

Ниже приводится порядок сборки ориентирующего переводника. Сначала через верхний конец обсадной трубы 16 вставляется втулка 68. Далее с обсадной трубой 16 соединяется наружный корпус 50. Кулачки 72 втулки могут быть прижаты радиально внутрь. После стыковки резьбы 74 с резьбой 60 на наружном корпусе 50 кулачки 72 втулки немного отгибаются радиально наружу и при вращении входят в сцепление с наружным корпусом 50. Отпускающая муфта 86 должна быть предварительно соединена с втулкой 68. Крышка может накручиваться по резьбе на отпускающую муфту 86. Перед вставкой втулки 68 в наружный корпус 50 клин 100 может быть установлен между крышкой 94 и кулачками 72 втулки. Далее на крышку 94 по резьбе может быть накручено стопорное кольцо 104, при этом втулка 68 должна находиться в наружном корпусе 50. Потом на крышку 94 по резьбе может быть накручено гнездо 110 для пробки. Затем наружный корпус 50 своим верхним концом может быть вкручен по резьбе в обсадную колонну 16.

Перед соединением нижнего конца наружного корпуса 50 с обсадной колонной 16 вставляются остальные детали ориентирующего переводника 18. К основной части 70 втулки по резьбе подсоединяется наружная гильза 120 ориентирующего механизма 118. Вставляется поршень 116 с свободно перемещающимся шариком 186. Ориентирующая гильза 146 вставляется в наружную гильзу 120 и позиционируется таким образом, чтобы центральная ось 159 находилась на угловом расстоянии 180° от продольной центральной оси приспособления, в данном случае окна 12, для требуемой ориентации этого приспособления в скважине. По достижении ориентирующей гильзой 146 желательного положения, при котором приемник 158 требуемым образом сориентирован относительно окна 12, вставляются зажимные винты 160 для прикрепления ориентирующей гильзы 146 к наружной гильзе 120. К наружной гильзе 120 посредством резьбового соединения прикрепляется донная крышка 200 вместе с пружиной 212.

После прикрепления донной крышки 200 нижний конец наружного корпуса 50 соединяется с обсадной колонной 16, которая может быть спущена в скважину. Спуск обсадной колонны 16 в скважину может продолжаться до тех пор, пока окно 12 или другое ориентируемое приспособление не достигнет требуемой глубины или не переместится на требуемое расстояние от поверхности. После спуска в ствол 14 скважины ориентирующий переводник 18 имеет вид, показанный на фиг.3, при этом поршень 166 находится в первом положении, которое задает первую траекторию потока через ориентирующий переводник 18. Первая траектория потока проходит через отпускающую муфту 86, поршень 166, через отверстия 172 в кольцевое пространство 179. Флюид может протекать через кольцевое пространство 179 вокруг нижнего конца поршня 166 и поступать в отверстие 202 донной крышки 200. Флюид затем может продолжать течь вниз по обсадной колонне 16.

Когда приспособление 12 достигает необходимой глубины относительно поверхности, требуется определить ориентацию окна 12, которое в данном примере должно быть обращено непосредственно вверх. Для определения ориентации окна 12 флюид пускается через обсадную колонну 16 и ориентирующий переводник 18 с предварительно заданным постоянным расходом. Понятно, что в этом процессе окно 12 будет перекрыто известным способом. Далее измеряется давление протекающего флюида в насосе у поверхности или в другом известном устройстве. Данные об уровне давления первой величины получаются из потока при нахождении поршня 166 в первом положении, как показано на фиг.3. Одним из способов ориентирования окна 12 является прерывание потока с последующим поворотом обсадной колонны 16, который вызывает поворот окна 12 и, аналогично, поворот ориентирующего переводника 18. Как сказано в данном документе, поворот неизбежно вызывает вращение ориентирующей гильзы 146, в которой имеется принимающий паз или приемник 158. После поворота на требуемую величину для установления факта изменения давления поток флюида через обсадную колонну 16 может быть возобновлен. Если изменение давления зарегистрировано, процесс повторяется. Как показано на фиг.4, в данном примере требуемой ориентации окна 12 соответствует нахождение приемника 158 в самой нижней части ориентирующего переводника 18. В этом положении под действием давления флюида свободно перемещающийся шарик 186 попадает в приемник 158. При требуемой ориентации поток флюида, протекающего через обсадную колонну 16, воздействует на поршень 166, в результате чего последний перемещается вниз, так как самый верхний конец ориентирующей гильзы 146 больше не препятствует движению вниз свободно перемещающегося шарика 186 и поршня 166. При передвижении поршня 166 во второе положение, показанное на фиг.4, регистрируется увеличение давление или скачок давления, при этом определяется вторая траектория потока с большим сопротивлением. Как описано и показано на фиг.4, флюид будет протекать через поршень 166 и вытекать через отверстия 172, при этом поршень 166 сцепляется с донной крышкой 200. Таким образом, при втором положении поршня 166 определяется вторая траектория потока с большим сопротивлением потоку. Предпочтительно, что циркуляция флюида по второй траектории характеризуется сопротивлением потоку, при этом создаются условия, способствующие увеличению давления до достаточного уровня, при котором указывается, что ориентирующий переводник 18 и, следовательно, окно 12, находятся в положении, соответствующем требуемой ориентации. Например, поток может пропускаться через маленькие отверстия (не показаны) или вокруг донной крышки 200. Кроме того, поршень 166 может не образовывать гидравлического уплотнения с донной крышкой 200 или может отстоять от нее на малое расстояние. В любом случае, при движении флюида по второй траектории потока, которая характеризуется нахождением поршня 166 во втором положении, потоку оказывается большее сопротивление, сопровождаемое регистрируемым увеличением давления, при этом приемник 158 находится в положении, которому соответствует требуемая ориентация окна 12.

Когда окно 12 занимает положение, которому соответствует требуемая ориентация, интенсивность потока флюида увеличивается, что сопровождается увеличением давления на мембрану 194 и ее прорывом. При этом через нее может протекать флюид, и через обсадную колонну 16 под давлением перед цементной колонной может продвигаться нижняя цементировочная пробка 230, показанная на фиг.5. Когда нижняя цементировочная пробка 230 сцепляется с гнездом 110 для пробки, интенсивность потока флюида может увеличиться на величину, достаточную для разрушения срезных штифтов 92, что приводит к перемещению отпускающей муфты 86 вниз, в результате чего кулачки 72 втулки изгибаются радиально внутрь, высвобождая ориентирующий переводник 18. На фиг.5 показан ориентирующий переводник 18 после отсоединения отпускающей муфты 86. На фиг.6 показан ориентирующий переводник 18, продвинувшийся через наружный корпус 50 в нижерасположенную часть обсадной колонны 16. Ориентирующий переводник 18 продвигается внутрь обсадной колонны 16 до сцепления с башмаками или муфтами с обратными клапанами, показанными на фиг.1 и 2. Давление далее продолжает увеличиваться, в результате чего мембрана в нижней цементировочной пробке 230 прорывается для обеспечения сквозного цементирования. Цемент протекает через ориентирующий переводник 18 и через башмак или муфты с обратными клапанами, и в результате вытеснения достаточного количества цемента в обсадной трубе может перемещаться верхняя цементировочная пробка, например при помощи известного флюида. Цемент беспрепятственно протекает через канал ориентирующего переводника 18, таким образом цементирование происходит обычным способом без каких-либо ограничений на траектории протекания цемента. После локального цементирования верхней обсадной колонны 16 через окно 12 может осуществляться бурение с применением известных способов и технологий.

Таким образом, из вышеописанного следует, что предложенные в рамках настоящего изобретения устройство и способ позволяют достичь поставленных и упомянутых целей и являются полезными. Несмотря на то, что в данном документе описаны и проиллюстрированы конкретные предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, в структуру и порядок деталей и этапов настоящего изобретения может быть внесено множество понятных специалистам изменений, не выходящих за рамки сути и объема настоящего изобретения, сформулированных в прилагаемой формуле.

Изобретение относится к способам и оборудованию, применяемым в технологических процессах, связанных с эксплуатацией подземной скважины, в частности к ориентированию обсадных или заливочных колонн. Техническим результатом является повышение точности ориентирования скважинных средств. Предложено устройство для ориентирования приспособления в наклонном стволе скважины по изменению давления флюида на предварительно определенную величину при известном расходе потока, протекающего через ориентирующий переводник, содержащее указанный ориентирующий переводник, соединенный с наружным корпусом с возможностью разъединения и имеющий втулку, вращаемую вместе с наружным корпусом, и ориентирующий механизм, соединенный с втулкой и вращаемый совместно с ней. При этом ориентирующий механизм содержит: наружную гильзу, соединенную с втулкой и вращаемую совместно с ней, и внутреннюю гильзу, вращаемую вместе с наружной гильзой. Причем ориентация внутренней гильзы относительно приспособления постоянна, а изменение давления происходит при повороте внутренней гильзы до некоторого положения, соответствующего заданной ориентации в скважине. Кроме того, ориентирующий механизм содержит поршень, перемещаемый в осевом направлении относительно внутренней гильзы. Причем в первом положении поршня задана первая траектория движения потока, соответствующая нежелательному положению приспособления, а во втором положении поршня задана вторая траектория движения потока, которая характеризуется большим сопротивлением потоку и соответствует требуемому положению и желательной ориентации приспособления, что сопровождается увеличением давления. При этом устройство содержит свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, выполненной в наружной поверхности поршня, причем во внутренней гильзе имеется приемник для свободно перемещающегося шарика, а приспособление занимает положение, соответствующее требуемой ориентации в скважине, когда положение приемника выровнено по местоположению свободно перемещающегося шарика. Кроме того, ориентирующий переводник выполнен с возможностью отсоединения от наружного корпуса, когда приспособление находится в положении, соответствующем требуемой ориентации. Раскрыты также способы ориентирования приспособления в колонне труб в наклонной скважине с применением указанного устройства. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для ориентирования приспособления в наклонном стволе скважины по изменению давления флюида на предварительно определенную величину при известном расходе потока, протекающего через ориентирующий переводник, содержащее указанный ориентирующий переводник, соединенный с наружным корпусом с возможностью разъединения и имеющий втулку, вращаемую вместе с наружным корпусом, и ориентирующий механизм, соединенный с втулкой и вращаемый совместно с ней, при этом ориентирующий механизм содержит:
наружную гильзу, соединенную с втулкой и вращаемую совместно с ней, и внутреннюю гильзу, вращаемую вместе с наружной гильзой, причем ориентация внутренней гильзы относительно приспособления постоянна, а изменение давления происходит при повороте внутренней гильзы до некоторого положения, соответствующего заданной ориентации в скважине, и
поршень, перемещаемый в осевом направлении относительно внутренней гильзы, причем в первом положении поршня задана первая траектория движения потока, соответствующая нежелательному положению приспособления, а во втором положении поршня задана вторая траектория движения потока, которая характеризуется большим сопротивлением потоку и соответствует требуемому положению и желательной ориентации приспособления, что сопровождается увеличением давления,
при этом устройство содержит свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, выполненной в наружной поверхности поршня, причем во внутренней гильзе имеется приемник для свободно перемещающегося шарика, а приспособление занимает положение, соответствующее требуемой ориентации в скважине, когда положение приемника выровнено по местоположению свободно перемещающегося шарика, причем ориентирующий переводник выполнен с возможностью отсоединения от наружного корпуса, когда приспособление находится в положении, соответствующем требуемой ориентации.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поршень перемещается из первого положения во второе при постоянном расходе потока, когда положение приемника выровнено по местоположению свободно перемещающегося шарика.

3. Устройство для ориентирования приспособления в обсадной колонне, спущенной в скважину, содержащее наружный корпус, соединяемый с обсадной колонной; оболочку, закрепленную в наружном корпусе с возможностью разъединения; отпускающую муфту, прикрепленную к оболочке с возможностью разъединения; поршень, перемещаемый в оболочке между первым и вторым положениями, причем в первом положении задана первая траектория движения потока через оболочку, а во втором положении задана вторая, ограниченная траектория движения потока через оболочку, при этом требуемая ориентация приспособления в скважине определяется по увеличению давления флюида при постоянном расходе потока, протекающего через оболочку, при нахождении поршня во втором положении.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что содержит упор, предотвращающий перемещение поршня из первого положения во второе до тех пор, пока приспособление не примет положение, соответствующее его требуемой ориентации в скважине.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что содержит свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, выполненной на наружной поверхности поршня, причем свободно перемещающийся шарик находится в самой нижней части оболочки, когда обсадная колонна находится в наклонной скважине; и гильзу, расположенную в оболочке, с упором на верхнем конце гильзы, причем гильза имеет приемник для свободно перемещающегося шарика.

6. Устройство по одному из пп. 3-5, отличающееся тем, что поршень имеет сквозной осевой проточный канал и множество проточных отверстий в его стенке, причем осевой проточный канал и проточные отверстия находятся на участке как первой, так и второй траекторий движения потока.

7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что содержит втулку, прикрепленную к наружному корпусу с возможностью разъединения; и наружную гильзу, соединенную с нижним концом втулки, причем к втулке с возможностью разъединения прикреплена отпускающая муфта, наружная гильза и поршень содержат часть ориентирующего механизма, который имеет ориентирующую гильзу, прикрепленную к наружной гильзе, причем ориентирующая гильза предотвращает перемещение поршня во второе положение до тех пор, пока в результате поворота обсадной колонны приспособление не примет положение, соответствующее требуемой ориентации.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что содержит свободно перемещающийся шарик, расположенный в канавке, проходящей по окружному периметру поршня, причем ориентирующий механизм имеет приемник для свободно перемещающегося шарика, попадающего в него при повороте приспособления в положение, соответствующее требуемой ориентации.

9. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что центр приемника расположен на угловом расстоянии 180° от центральной линии приспособления.

10. Способ ориентирования приспособления в колонне труб в наклонной скважине, включающий следующие этапы:
позиционирование ориентирующего механизма в заданном положении относительно приспособления;
установка ориентирующего механизма в колонне труб в заданном положении;
спуск колонны труб в наклонную скважину на требуемую глубину;
подача флюида через ориентирующий механизм с заданным расходом потока;
измерение давления потока в ориентирующем механизме;
поворот колонны труб в скважине до тех пор, пока в результате регистрации изменения давления не будет указано на известное положение устройства, соответствующее его требуемой ориентации в наклонной скважине, причем приспособление занимает требуемое положение в том случае, когда ориентирующий механизм принимает положение, соответствующее известной ориентации; и
отсоединение ориентирующего механизма от колонны труб после достижения приспособлением положения, соответствующего его требуемой ориентации.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что включает прерывание потока флюида перед поворотом колонны труб в скважине; возобновление потока флюида после поворота колонны труб; измерение давления; и повторение цикла «прерывание потока - поворот колонны труб - возобновление потока» до тех пор, пока по результатам измерения давления ориентирующий механизм не достигнет положения, соответствующего известной ориентации.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что результатами измерения давления являются показания первого значения давления, соответствующего нежелательной ориентации приспособления, и показания второго - повышенного значения давления, соответствующего требуемой ориентации приспособления в скважине.

13. Способ по одному из пп. 10-12, отличающийся тем, что колонна труб представляет собой обсадную колонну, при этом способ включает этап заливки цемента в обсадную колонну и кольцевое пространство между обсадной колонной и стенками ствола скважины после отсоединения ориентирующего механизма.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что этап отсоединения включает перемещение пробки и повышение давления в обсадной колонне для отсоединения ориентирующего механизма от обсадной колонны.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что ориентирующий механизм соединен с наружным корпусом с возможностью разъединения, причем при соединении наружного корпуса с обсадной колонной наружный корпус становится ее составной частью.

16. Способ ориентирования приспособления в колонне труб в наклонной скважине, включающий следующие этапы:
позиционирование ориентирующего механизма в заданном положении относительно приспособления;
установка ориентирующего механизма в колонне труб в заданном положении;
спуск колонны труб в наклонную скважину на требуемую глубину;
подача флюида через ориентирующий механизм с заданным расходом потока;
измерение давления потока в ориентирующем механизме;
поворот колонны труб в скважине до тех пор, пока в результате регистрации изменения давления не будет указано на известное положение устройства, соответствующее его требуемой ориентации в наклонной скважине, причем приспособление занимает требуемое положение в том случае, когда ориентирующий механизм принимает положение, соответствующее известной ориентации;
отсоединение ориентирующего механизма от колонны труб после достижения приспособлением положения, соответствующего его требуемой ориентации, причем колонна труб представляет собой обсадную колонну; и
заливку цемента в обсадную колонну и кольцевое пространство между обсадной колонной и стенками ствола скважины после отсоединения ориентирующего механизма.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что этап отсоединения включает перемещение пробки и повышение давления в обсадной колонне для отсоединения ориентирующего механизма от обсадной колонны.

18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что ориентирующий механизм соединен с наружным корпусом с возможностью разъединения, причем при соединении наружного корпуса с обсадной колонной наружный корпус становится ее составной частью.