Система для вырезания окна в обсадной колонне (варианты) Российский патент 2023 года по МПК E21B29/06 

Изобретение относится к буровой и нефтедобывающей промышленности, а именно к устройствам для фрезерования «окна» в обсадной колонне скважины для последующего бурения дополнительных боковых стволов.

Известно устройство для прорезания «окна» в обсадной колонне, которое содержит направляющую трубу, верхний конец которой соединен с колонной бурильных труб, а на нижнем конце жестко закреплен райбер. На наружной поверхности направляющей трубы с возможностью свободного скольжения по ее длине установлено фрезер-долото с внутренней конусной посадочной поверхностью в его верхнем конце для контакта с ответным наружным конусом, выполненным на верхнем конце направляющей трубы (АС №870672 E21B 29/06, пр. 31.01.1980 г., оп. 07.10.1981 г.).

Недостатком известного устройства является то, что вырезание «окна» в обсадной колонне производится за две спуско-подъемные операции, что приводит к увеличению времени вырезания «окна» и как следствие большим экономическим затратам. Кроме того, устройство не обеспечивает передачу крутящего момента от бурильной колонны к райберу из-за того, что конусное соединение в процессе работы забивается буровым шламом, снижая надежность устройства.

Известна компоновка для прорезки и формирования полноразмерного бокового «окна» в обсадной колонне скважины за один рейс бурильного инструмента, узел подвески отклоняющего клина. Компоновка содержит зарезной, проходной и калибрующий фрезер-райберы, жестко закрепленные на едином полом валу, который верхним концом соединен на резьбе с колонной бурильных труб, а на нижнем его конце закреплен зарезной фрезер-райбер (патент РФ № 2312199, МПК Е21В 7/08, E21B 29/06 оп. 10.12.2007г.).

Недостатком известного устройства является то, что полый вал верхним концом соединен с бурильной колонной с помощью резьбы с одним упорным торцом, что приводит к деформациям резьбового соединения под воздействием знакопеременных нагрузок. Кроме того, полый вал не имеет участков с уменьшенным диаметром, что негативно сказывается на гибкости компоновки в целом. Также стоит отметить, что использование резьбового колокола для извлечения клина-отклонителя приведет к нарушению целостности конструкции (разрыв, смятие).

Наиболее близким к заявляемому устройству по конструктивным признакам и достигаемому результату является комплект оборудования для вырезания «окна» в обсадной колонне, включающий клин-отклонитель с заякоривающим механизмом в виде профильной трубы с заглушенным нижним концом, гидропровод, связывающий полость бурильных труб с полостью профильной трубы, фрезерующий инструмент в верхней части клина-отклонителя. Оконный фрез инструмента содержит установленное на его корпусе опорное кольцо, представляющее собой подшипник скольжения с наружным диаметром, превышающим диаметр оконного фреза на величину зазора, предотвращающего касание твердосплавных элементов вооружения фрезеров направляющей поверхности клина-отклонителя. Форма лопастей зарезного фреза выполнена выступающей под прямым углом относительно корпуса фреза. Комплект содержит двухпозиционный промывочный узел, выполненный с возможностью перекрытия гидродинамического канала сообщения между внутритрубным и затрубным пространством посредством бросового шара (патент на изобретение РФ №2441132 , МПК Е21В 29/06, оп. 27.01.2012г.).

Недостатком известного устройства является то, что опорное кольцо, выполняющего функцию подшипника скольжения, будет препятствовать процессу фрезерования «окна», поскольку превышает диаметр фреза оконного. К недостатку также стоит отнести, что профильная труба не имеет компенсационного отверстия для выравнивания внутритрубного и затрубного давления. При спуске компоновки в условиях отрицательных температур окружающего воздуха существует высокая вероятность замерзания жидкости внутри бурильных труб, а также в двухпозиционном промывочном узле, что приведет к разнице уровней жидкостей во внутритрубном и затрубном пространстве, и как следствие, деформации профильной трубы. Также после вырезания и калибрования «окна» расширяющий фрезер при условии высокой твердости обсадной колонны и коэффициента крепости горной породы может значительно потерять наружный диаметр, что недопустимо для дальнейшего спуска компоновки на бурение. Следующим недостатком является то, что направляющая клина-отклонителя не имеет упрочняющего покрытия, что приведет к ее быстрому износу в процессе фрезерования «окна» и возникновению нештатных ситуаций.

Технический результат заявляемого устройства заключается в повышении надежности работы устройства за счет технологичности, оптимизации и совершенствования конструкции.

Данный технический результат по первому варианту достигается тем, что система для фрезерования окна в обсадной колонне включает клин-отклонитель с направляющей поверхностью, якорь, прикрепленный на нижнем конце клина-отклонителя и фрезерный инструмент, согласно изобретению, фрезерный инструмент состоит из фрезера оконного и фрезера-райбера верхнего, расположенного выше по стволу скважины, относительно оконного фрезера, имеющего участок корпуса с утолщением перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра, наибольший из которых шлифованного исполнения, клин-отклонитель имеет поверхностное упрочнение ромбовидной формы, якорь является механическим и содержит выдвижную плашку, выполненную с насечками пирамидальной формы по всей площади плашки, стопорное кольцо, установочный винт и винты извлечения якоря. При этом фрезерный инструмент может быть снабжен нижним фрезером-райбером, соединенным с верхним фрезером-райбером напрямую, при этом нижний фрезер-райбер имеет со стороны фрезера оконного участок корпуса с утолщением перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра, разделенных между собой кольцевой канавкой. Также поверхностное упрочнение ромбовидной формы клина-отклонителя может быть выполнено не менее, чем на половине длины его направляющей поверхности.

Данный технический результат по второму варианту достигается тем, что система для фрезерования окна в обсадной колонне включает клин-отклонитель с направляющей поверхностью, якорь, прикрепленный на нижнем конце клина-отклонителя и фрезерный инструмент, согласно изобретению, фрезерный инструмент состоит из фрезера оконного и фрезера-райбера верхнего, расположенного выше по стволу скважины, относительно оконного фрезера, имеющего участок корпуса с утолщением перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра, наибольший из которых шлифованного исполнения, клин-отклонитель имеет поверхностное упрочнение ромбовидной формы, якорь является гидравлическим, содержит нижнюю заглушку с компенсационным отверстием и снабжен сухарями. При этом фрезерный инструмент может быть снабжен нижним фрезером-райбером, соединенным с верхним фрезером-райбером напрямую, при этом нижний фрезер-райбер имеет со стороны фрезера оконного участок корпуса с утолщением перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра, разделенных между собой кольцевой канавкой. Также поверхностное упрочнение ромбовидной формы клина-отклонителя может быть выполнено не менее, чем на половине длины его направляющей поверхности.

На фиг.1 изображена система для фрезерования окна в обсадной колонне по первому варианту с механическим якорем.

На фиг. 2 изображен механический якорь с выдвижной плашкой.

На фиг. 3 изображена система для фрезерования окна в обсадной колонне по второму варианту с гидравлическим якорем.

На фиг. 4 изображен гидравлический якорь с сухарями и заглушкой с компенсационным отверстием.

На фиг. 5 изображен клин-отклонитель с поверхностным упрочнением ромбовидной формы для механической системы.

На фиг. 6 изображен клин-отклонитель с поверхностным упрочнением ромбовидной формы для гидравлической системы.

На фиг. 7 (а-в) показаны этапы работы системы: а - момент зарезания, б - этап фрезерования стенки обсадной колонны, в - этап выхода в окружающую скважину породу.

Возможны два варианта компоновки системы фрезерования окна в обсадной колонне: с одним фрезером-райбером верхним или с двумя – верхним и нижним. Количество данных фрезеров в системе зависит от условий разбуриваемой скважины. Рассмотрим частный случай системы по первому варианту с двумя фрезерами-райберами с механическим якорем.

Система устроена следующим образом. На нижнем конце бурильной колонны устанавливают (сверху вниз) через гироскопический переводник 1, фрезер-райбер верхний 2, с участками вооружения разного диаметра, больший из которых шлифованного исполнения 3, с участком корпуса с утолщением 4 перед началом вооружения, фрезер-райбер нижний 5, с участком корпуса с утолщением 6 перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра 7, разделенных между собой кольцевой канавкой 8, фрезер оконный 9, соединенный посредством срезного винта 10 с клином-отклонителем 11, имеющим поверхностное упрочнение ромбовидной формы 12 и паз 13 для извлечения крюком (на фигурах не показан), механический якорь 14 с выдвижной плашкой 15, выполненной с насечками пирамидальной формы 16 по всей площади плашки. Фрезерный инструмент соединяют между собой посредством двухупорной замковой резьбы (на фигурах не показана).

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работ по спуску системы в скважину последнюю заполняют буровым раствором или технической водой. Спуск системы в скважину осуществляют на колонне бурильных труб. После спуска системы до забоя скважины осуществляют ориентирование направляющей поверхности клина-отклонителя 11 в нужном направлении при помощи гироскопического переводника 1. После ориентирования системы осуществляют разгрузку инструмента на заданную величину, в результате чего срезается установочный винт 17 механического якоря 14 и происходит выдвижение плашки 15 механического якоря 14 и ее врезание в стенку обсадной колонны. Плашка 15 механического якоря 14 имеет насечки в форме пирамид 16, что обеспечивает надежное фиксирование системы в обсадной колонне. За счет одной плашки 15 происходит однонаправленное прижатие тыльной части клина-отклонителя 11 к внутренней стенке обсадной колонны, благодаря чему исключается провисание клина-отклонителя 11 под действием силы тяжести, в случае установки в II или III четверть. Выдвинутое положение плашки 15 фиксируется за счет стопорного кольца 18. Далее нагрузку плавно увеличивают для срезания винта 10 фрезера оконного 9. Затем начинают плавное, без рывков вращение системы с подачей промывочной жидкости. После выхода на нужную частоту вращения плавно подают нагрузку на фрезер оконный 9.

В процессе фрезерования стенки обсадной колонны фрезер оконный 9, опираясь на направляющую поверхность клина-отклонителя 11, стремится прижать фрезер-райбер нижний 5 к стенке обсадной колонны, что существенно способствует преждевременному механическому износу вооружения и корпуса фрезера-райбера нижнего 5. Для исключения подобной ситуации фрезер-райбер нижний 5 имеет участок корпуса с утолщением 6 перед началом вооружения со стороны фрезера оконного 9. Также, для более плавного расширения «окна» вооружение фрезера-райбера нижнего 5 представлено двумя участками разного диаметра 7, разделенных между собой кольцевой канавкой 8. По мере отдаления фрезера оконного 9 от оси скважины в работу вступают последовательно фрезер-райбер нижний 5 и фрезер-райбер верхний 2, постепенно увеличивая диаметр вырезанного «окна» фрезером оконным 9. Для снижения вероятности преждевременного механического износа вооружения и корпуса фрезера-райбера верхнего 2, последний имеет участком корпуса с утолщением 4 перед началом вооружения со стороны фрезера оконного 9. Для плавного расширения «окна» вооружение фрезера-райбера верхнего 2 представлено двумя участками разного диаметра, при чем один из них шлифованного исполнения 3 с целью снижения вероятности потери диаметра вырезанного «окна». С целью снижения вероятности направления движения фрезера оконного 9 в корпус клина-отклонителя 11 последний имеет поверхностное упрочнение ромбовидной формы 12. Фрезеры-райберы 2 и 5 имеют участки корпуса с уменьшенным диаметром (не показаны) для придания гибкости системы. Фрезеры имеют разный диаметр, увеличивающийся на один типоразмер вверх от оконного, что способствует плавному процессу фрезерования «окна». После прорезания «окна» и бурения бокового ствола при необходимости предусмотрено извлечение механического якоря 14 и клина-отклонителя 11. Для этого на конце бурильных труб спускают крюк (не показан), вводят его в зацепление с пазом 13 клина-отклонителя 11 и тянут вверх, при приложении определенной нагрузки срезаются винты извлечения 19 якоря 5, плашка 14 выходит из зацепления со стенками обсадной колонны и якорь 5 с клином-отклонителем 4 извлекают.

Рассмотрим частный случай системы по второму варианту с двумя фрезерами-райберами и гидравлическим якорем.

Система устроена следующим образом. На нижнем конце бурильной колонны устанавливают (сверху вниз) через гироскопический переводник 1, клапан 20, бурильную трубу 21 с фильтром трубным 22, переводник 23, фрезер-райбер верхний 2, с участками вооружения разного диаметра, больший из которых шлифованного исполнения 3, с участком корпуса с утолщением 4 перед началом вооружения, фрезер-райбер нижний 5, с участком корпуса с утолщением 6 перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра 7, разделенных между собой кольцевой канавкой 8, фрезер оконный 9, соединенный посредством срезного винта 10 с клином-отклонителем 11, имеющим поверхностное упрочнение ромбовидной формы 12 и паз 13 для извлечения крюком (на фигурах не показан), гидропровод 24, якорь гидравлический трубный 25 с сухарями 26 и заглушкой 27 с компенсационным отверстием 28. Фрезерный инструмент соединяют между собой посредством двухупорной замковой резьбы (на фигурах не показана).

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работ по спуску системы в скважину последнюю заполняют буровым раствором или технической водой. Перед сборкой системы якорь гидравлический трубный 25 заполняют технической водой. Спуск системы в скважину осуществляют на колонне бурильных труб, проводя при этом периодические обратные промывки через клапан 20 для очистки от шлама внутренней полости бурильных труб. Для осуществления операции обратной промывки буровым насосом нагнетают техническую жидкость в затрубное пространство бурильных труб. Жидкость проходит через боковые отверстия (не изображены) клапана 20, далее через центральный промывочный канал (не изображен) вверх по бурильным трубам.

В процессе спуска, через боковые промывочные отверстия (не показаны) клапана 20 происходит самозаполнение внутренней полости колонны бурильных труб, что обеспечивает гидродинамическое равновесие в скважине и трубах. Для снижения вероятности преждевременной активации в процессе спуска якорь гидравлический трубный 25 оснащен компенсационным отверстием 28 в нижней заглушке 27. В случае понижения уровня жидкости в затрубном или внутритрубном пространстве будет происходить выравнивание давления через компенсационное отверстие 28. После спуска системы до забоя скважины осуществляют ориентирование направляющей поверхности клина-отклонителя 11 в нужном направлении при помощи гироскопического переводника 1. После ориентирования системы осуществляют нагнетание технической жидкости во внутреннюю полость бурильных труб, в частности бурильную трубу 21, и клапан 20. Далее происходит нагнетание промывочной жидкости через фрезер-райбер верхний 2, фрезер-райбер нижний 5, фрезер оконный 9, гидропровод 24 в якорь гидравлический трубный 25, происходит его раскрытие и прилегание своими стенками к внутренней стенке эксплуатационной колонны, при этом сухари 26 внедряются в обсадную трубу, повышая сцепление якоря гидравлического трубного 25 с обсадной трубой. Благодаря наличию фильтра трубного 22 в составе компоновки исключается вероятность засорения гидропровода 24 шламом при активации якоря гидравлического трубного 25. После установки якоря гидравлического трубного 25 осуществляют разгрузку инструмента на заданную величину для срезания срезного винта 10 фрезера оконного 9. Затем начинают плавное, без рывков вращение системы с подачей промывочной жидкости. После выхода на нужную частоту вращения плавно подают нагрузку на фрезер оконный 9.

В процессе фрезерования стенки обсадной колонны фрезер оконный 9, опираясь на направляющую поверхность клина-отклонителя 11, стремится прижать фрезер-райбер нижний 5 к стенке обсадной колонны, что способствует преждевременному механическому износу вооружения и корпуса фрезера-райбера нижнего 5. Для исключения вышеописанных ситуаций фрезер-райбер нижний 5 имеет участок с утолщением корпуса 6 перед началом вооружения (направление взгляда со стороны фрезера оконного). Также для более плавного расширения «окна» вооружение фрезера-райбера нижнего 5 представлено двумя участками разного диаметра 7, разделенных между собой кольцевой канавкой 8. По мере отдаления фрезера оконного 9 от оси скважины в работу вступают последовательно фрезер-райбер нижний 5 и фрезер-райбер верхний 2, постепенно увеличивая диаметр вырезанного «окна» фрезером оконным 9.

Для снижения вероятности преждевременного механического износа вооружения и корпуса фрезера-райбера верхнего 2, последний имеет участок с утолщением корпуса 4 перед началом вооружения со стороны фрезера оконного 9. Для снижения вероятности потери диаметра вырезанного «окна» фрезер-райбер верхний 2 имеет участок вооружения шлифованного исполнения 3. С целью снижения вероятности направления движения фрезера оконного 2 в корпус клина-отклонителя 11 последний имеет поверхностное упрочнение ромбовидной формы 12. Фрезеры-райберы имеют участки корпуса с уменьшенным диаметром (не показаны) для придания гибкости системы.

В случае преждевременной частичной активации в процессе спуска якоря гидравлического трубного 25 и оставления клина-отклонителя 11 в скважине, последний оснащен пазом 13 под крюк извлечения (не изображен).

Заявляемая система для фрезерования окна имеет следующие преимущества: снижается преждевременный износ вооружения фрезера оконного, увеличивается ресурс его работы, снижается вероятность врезания фрезера оконного в клин-отклонитель, снижается вероятность потери наружного диаметра фрезер-райбера верхнего, повышается вероятность прохождения компоновки на бурение после вырезания «окна», повышается надежность сцепления плашек якоря со стенкой обсадной колонны, снижается вероятность механического износа вооружения и корпуса фрезеров-райберов, снижается вероятность преждевременной активации гидравлического якоря в процессе спуска, все это приводит к повышению эксплуатационных характеристик и надежности оборудования.

Группа изобретений относится к буровой и нефтедобывающей промышленности, а именно к устройствам для фрезерования окна в обсадной колонне. Система по первому варианту включает клин-отклонитель с направляющей поверхностью, якорь, прикрепленный на нижнем конце клина-отклонителя, и фрезерный инструмент. Фрезерный инструмент состоит из фрезера оконного и фрезера-райбера верхнего, расположенного выше по стволу скважины относительно оконного фрезера, имеющего участок корпуса с утолщением перед началом вооружения, два участка вооружения разного диаметра, наибольший из которых шлифованного исполнения. Клин-отклонитель имеет поверхностное упрочнение ромбовидной формы, якорь является механическим и содержит выдвижную плашку, выполненную с насечками пирамидальной формы по всей площади плашки, стопорное кольцо, установочный винт и винты извлечения якоря. Снижается преждевременный износ вооружения фрезера оконного, увеличивается ресурс его работы, снижается вероятность механического износа вооружения и корпуса фрезеров-райберов и преждевременной активации гидравлического якоря в процессе спуска. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система для фрезерования окна в обсадной колонне, включающая клин-отклонитель с направляющей поверхностью, якорь, прикрепленный на нижнем конце клина-отклонителя, и фрезерный инструмент, отличающаяся тем, что фрезерный инструмент состоит из фрезера оконного и фрезера-райбера верхнего, расположенного выше по стволу скважины относительно оконного фрезера, имеющего участок корпуса с утолщением перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра, наибольший из которых шлифованного исполнения, клин-отклонитель имеет поверхностное упрочнение ромбовидной формы, якорь является механическим и содержит выдвижную плашку, выполненную с насечками пирамидальной формы по всей площади плашки, стопорное кольцо, установочный винт и винты извлечения якоря.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что фрезерный инструмент снабжен нижним фрезером-райбером, соединенным с верхним фрезером-райбером напрямую, при этом нижний фрезер-райбер имеет со стороны фрезера оконного участок корпуса с утолщением перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра, разделенными между собой кольцевой канавкой.

3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что поверхностное упрочнение ромбовидной формы клина-отклонителя выполнено не менее чем на половине длины его направляющей поверхности.

4. Система для фрезерования окна в обсадной колонне, включающая клин-отклонитель с направляющей поверхностью, якорь, прикрепленный на нижнем конце клина-отклонителя, и фрезерный инструмент, отличающаяся тем, что фрезерный инструмент состоит из фрезера оконного и фрезера-райбера верхнего, расположенного выше по стволу скважины относительно оконного фрезера, имеющего участок корпуса с утолщением перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра, наибольший из которых шлифованного исполнения, клин-отклонитель имеет поверхностное упрочнение ромбовидной формы, якорь является гидравлическим, содержит нижнюю заглушку с компенсационным отверстием и снабжен сухарями.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что фрезерный инструмент снабжен нижним фрезером-райбером, соединенным с верхним фрезером-райбером напрямую, при этом нижний фрезер-райбер имеет со стороны фрезера оконного участок корпуса с утолщением перед началом вооружения, представленного двумя участками разного диаметра, разделенными между собой кольцевой канавкой.

6. Система по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что поверхностное упрочнение ромбовидной формы клина-отклонителя выполнено не менее чем на половине длины его направляющей поверхности.