однопроходное устройство с уипстоком для образования окна в обсадной трубе скважины

Формула изобретения

1. Однопроходное устройство с уипстоком для образования окна в обсадной трубе скважины, содержащее уипсток с основной отклоняющей поверхностью, имеющий фрезерный инструмент, прикрепленный к его верхнему концу с возможностью разъединения, пакер или анкер, прикрепленный к его нижнему концу и выполненный с возможностью установки для фиксации глубины расположения уипстока до прорезания фрезерным инструментом окна в стенке обсадной трубы в течение того же самого прохода, отличающееся тем, что верхний конец уипстока выполнен в виде наклонной поверхности, угол наклона которой к оси скважины больше, чем угол наклона основной отклоняющей поверхности к оси скважины, при этом место перехода между наклонной поверхностью и основной отклоняющей поверхностью расположено так, что при совместном действии концевых и боковых резцов фрезерного инструмента в момент, когда его ведущая кромка переходит с наклонной поверхности на основную отклоняющую поверхность, происходит прорезание обсадной трубы.

2. Однопроходное устройство с уипстоком по п.1, отличающееся тем, что место перехода между наклонной поверхностью и основной отклоняющей поверхностью отстоит радиально от внешней поверхности обсадной трубы на расстояние, по существу, равное диаметру фрезерного инструмента, причем внешняя поверхность обсадной трубы является поверхностью обсадной трубы, ограничивающей наружные габариты обсадной трубы, при этом указанное место, по существу, соответствует моменту сквозного прорезания фрезерным инструментом обсадной трубы при его действии.

3. Однопроходное устройство с уипстоком по п.1 или 2, отличающееся тем, что наклонная поверхность закалена, наращена твердыми сплавами или снабжена износоустойчивыми вставками.

4. Однопроходное устройство с уипстоком по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что соединение между уипстоком и пакером или анкером способно предотвращать их взаимное вращение относительно друг друга так, что после опускания устройства в скважину на требуемую глубину устройство приспособлено ориентироваться перед установкой пакера или анкера и соединение между уипстоком и пакером или анкером после этого обеспечит сохранение требуемой ориентации уипстока.

5. Однопроходное устройство с уипстоком по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что фрезерный инструмент закреплен непосредственно на верхнем конце уипстока с помощью разъединяемых крепежных средств, например срезаемых болтов.

6. Однопроходное устройство с уипстоком по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что фрезерный инструмент включает главную фрезу, имеющую торцевые резцы на ее торцевой поверхности и боковые резцы на ее радиальной периферии.

7. Однопроходное устройство с уипстоком по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что оно включает, по меньшей мере, одну дополнительную фрезу, например шаровую фрезу, расположенную выше по стволу скважины относительно главной фрезы.

8. Однопроходное устройство с уипстоком по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что пакер или анкер выполнен гидравлическим и средство для установки пакера содержит гидрогенератор давления, расположенный выше по стволу скважины относительно уипстока, и разъединяемое соединение между гидрогенератором давления и гидравлическим пакером.

9. Однопроходное устройство с уипстоком по п.8, отличающееся тем, что гидрогенератор давления содержит цилиндр, наполненный гидравлической жидкостью и сообщающийся с разъединяемым соединением, и поршень, способный действовать под давлением промывочной жидкости, поступающей через буровую колонну, на которой установлено устройство с уипстоком, для создания давления гидравлической жидкостью.

10. Однопроходное устройство с уипстоком по п.9, отличающееся тем, что гидрогенератор давления соединен с разъединяемым соединением через камеру, расположенную внутри фрезерного инструмента.

11. Однопроходное устройство с уипстоком по п.10, отличающееся тем, что главная фреза включает промывочные окна, обеспечивающие во время фрезерования циркуляцию промывочной жидкости из камеры фрезерного инструмента в пространство, окружающее фрезерный инструмент, и фрезерный инструмент снабжен отводящим средством, первоначально изолирующим промывочные окна от камеры фрезерного инструмента для обеспечения передачи гидравлического давления, созданного гидрогенератором давления, разъединяемому соединению.

12. Однопроходное устройство с уипстоком по п.11, отличающееся тем, что поршень гидрогенератора давления выполнен с возможностью перевода в обходное положение, позволяющее промывочной жидкости протекать мимо поршня в камеру фрезерного инструмента после завершения установки гидравлического пакера, и движение поршня гидрогенератора давления в его обходное положение одновременно открывает промывочные окна фрезерного инструмента в его камеру.

13. Однопроходное устройство с уипстоком по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что пакер или анкер выполнен донным опускным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к однопроходному устройству с уипстоком, которое может быть полностью опущено в ствол скважины, установлено там и подготовлено для фрезерования окна в обсадной трубе скважины и вскрытия отвода в окружающей породе за один проход.

При бурении нефтяных и газовых скважин иногда необходимо сделать ответвление от существующего ствола. Такие ответвления (обычно известные как "отводы") обычно образуются помещением конусообразного отклоняющего устройства (известного как "уипсток") в существующий ствол скважины и затем использованием уипстока для отклонения фрезерного инструмента в горизонтальном направлении относительно оси ствола скважины для фрезерования окна в окружающей обсадной трубе.

После того, как окно выфрезеровано, бурение окружающей породы может продолжаться с использованием фрезерного инструмента или же фрезерный инструмент может быть поднят из скважины и заменен другим устройством, подходящим для бурения породы.

До сих пор выполнение начальной стадии бокового отвода при использовании системы с уипстоком требует несколько отдельных проходов в скважину.

Типично, когда пакер сначала опускают в скважину и, применяя соответствующее оборудование, располагают его на нужной глубине, ориентируют и устанавливают. Пакерную колонну труб затем поднимают из скважины, оставляя пакер в установленном положении, и уипсток, возможно соединенный с одной или более фрезами, спускают в скважину для соединения с пакером перед началом фрезерования.

Предпринимались различные попытки для увеличения эффективности образования боковых отводов с использованием системы с уипстоком и, в частности, патент США N 5109924 иллюстрирует фрезерное устройство для осуществления вырезания и фрезерования за один проход, а патент США N 5425419 иллюстрирует устройство, в котором отклоняющая головка наверху уипстока используется для расположения фрезерного инструмента. Однако все до сих пор известные системы требуют применения каких-либо видов анкеров или пакеров для расположения уипстока на нужной глубине и его ориентации. Такие анкеры или пакеры должны быть опущены в скважину в течение отдельного от уипстока прохода, требующего, по крайней мере, двух проходов при любой операции фрезерования с уипстоком.

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение известных технических приемов образования бокового отвода с использованием системы с уипстоком путем создания устройства с уипстоком, которое включает пакер или анкер и которое может быть опущено в скважину, установлено там и подготовлено для работы за один проход.

Этот технический результат достигается тем, что однопроходное устройство с уипстоком для образования окна в обсадной трубе скважины содержит уипсток с основной отклоняющей поверхностью, имеющий фрезерный инструмент, прикрепленный к его верхнему концу с возможностью разъединения, пакер или анкер, прикрепленный к его нижнему концу и выполненный с возможностью установки для фиксации глубины расположения уипстока до прорезания фрезерным инструментом окна в стенке обсадной трубы в течение того же самого прохода, отличающееся тем, что верхний конец уипстока выполнен в виде наклонной поверхности, угол наклона которой к оси скважины больше, чем угол наклона основной отклоняющей поверхности к оси скважины, при этом место перехода между наклонной поверхностью и основной отклоняющей поверхностью расположено так, что при совместном действии концевых и боковых резцов фрезерного инструмента в момент, когда его ведущая кромка переходит с наклонной поверхности на основную отклоняющую поверхность, происходит прорезание обсадной трубы.

Место перехода между наклонной поверхностью и основной отклоняющей поверхностью может отстоять радиально от внешней поверхности обсадной трубы на расстояние, по существу, равное диаметру фрезерного инструмента, причем внешняя поверхность обсадной трубы является поверхностью обсадной трубы, ограничивающей наружные габариты обсадной трубы, при этом указанное место по существу соответствует моменту сквозного прорезания фрезерным инструментом обсадной трубы при его действии.

Наклонная поверхность может быть закалена, наращена твердыми сплавами или снабжена износоустойчивыми вставками.

Соединение между уипстоком и пакером или анкером может быть способным предотвращать их взаимное вращение относительно друг друга так, что после опускания устройства в скважину на требуемую глубину устройство может быть приспособлено ориентироваться перед установкой пакера или анкера и соединение между уипстоком и пакером или анкером после этого обеспечит сохранение требуемой ориентации уипстока.

Фрезерный инструмент может быть закреплен непосредственно на верхнем конце уипстока с помощью разъединяемых крепежных средств, например срезаемых болтов.

Фрезерный инструмент может включать главную фрезу, имеющую торцевые резцы на ее торцевой поверхности и боковые резцы на ее радиальной периферии.

Устройство может включать, по меньшей мере, одну дополнительную фрезу, например шаровую фрезу, расположенную выше по стволу скважины относительно главной фрезы.

Пакер или анкер может быть выполнен гидравлическим, и средство для установки пакера содержит гидрогенератор давления, расположенный выше по стволу скважины относительно уипстока, и разъединяемое соединение между гидрогенератором давления и гидравлическим пакером.

Гидрогенератор давления может содержать цилиндр, наполненный гидравлической жидкостью и сообщающийся с разъединяемым соединением, и поршень, способный действовать под давлением промывочной жидкости, поступающей через буровую колонну, на которой установлено устройство с уипстоком для создания давления гидравлической жидкостью.

Гидрогенератор давления может быть соединен с разъединяемым соединением через камеру, расположенную внутри фрезерного инструмента.

Главная фреза может включать промывочные окна, обеспечивающие во время фрезерования циркуляцию промывочной жидкости из камеры фрезерного инструмента в пространство, окружающее фрезерный инструмент, и фрезерный инструмент может быть снабжен отводящим средством, первоначально изолирующее промывочные окна от камеры фрезерного инструмента для обеспечения передачи гидравлического давления, созданного гидрогенератором давления, разъединяемому соединению.

Поршень гидрогенератора давления выполнен с возможностью перевода в обходное положение, позволяющее промывочной жидкости протекать мимо поршня в камеру фрезерного инструмента после завершения установки гидравлического пакера, и движение поршня гидрогенератора давления в его обходное положение одновременно открывает промывочные окна фрезерного инструмента в его камеру.

Пакер или анкер может быть выполнен донным опускным.

Изобретение будет лучше понято из следующего описания его предпочтительного варианта выполнения, приведенного только в качестве примера, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 иллюстрирует первый вариант выполнения изобретения;

фиг. 2 иллюстрирует второй вариант выполнения изобретения;

фиг. 3 иллюстрирует способ соединения главной фрезы устройства, показанного на фиг. 1 и 2, с уипстоком;

фиг. 4 иллюстрирует в увеличенном масштабе поперечное сечение установочного инструмента и главной фрезы устройства на фиг. 1 с ее внутренними компонентами в начальном положении;

фиг. 5 изображает в увеличенном масштабе главную фрезу и нижнюю часть установочного инструмента, показывая внутренние их компоненты в конечном положении.

На фиг. 1 показано однопроходное устройство с уипстоком, содержащее многоцикловый перепускной клапан 1, шаровую фрезу 2, гибкое соединение 3, установочный инструмент 4, главную фрезу 5, уипсток 6 и гидравлический пакер 7.

Перепускной клапан 1, шаровая фреза 2, гибкое соединение 3, установочный инструмент 4 и главная фреза 5 соединены между собой обычными штифтовыми соединениями, и уипсток 6 соединен с гидравлическим пакером 7 обычным штифтовым соединением. Главная фреза 5 соединена с уипстоком 6 соответствующими разъединяемыми средствами крепления, описанными более детально в дальнейшем. При использовании устройство опускают в скважину в скомплектованном виде на соответствующей колонне труб на требуемую глубину, правильно ориентируют, например, используя информацию от измерительного прибора бурового инструмента, который расположен над перепускным клапаном, и затем устанавливают пакер. Соединение между главной фрезой 5 и уипстоком 6 затем разъединяется, чтобы допустить фрезерование окна в окружающей обсадной трубе и начать бурение бокового отвода, используя главную фрезу 5. Окно, образованное главной фрезой 5, затем развальцовывается и расчищается шаровой фрезой 2.

В собранном виде главная фреза 5 соединена с крайним верхним концом уипстока 6 посредством разъединяемых креплений, например, срезаемых болтов 8, 9, как иллюстрирует фиг. 3. Для этой цели верхний конец уипстока 6 изготовлен с хвостовиком 10, который имеет прорези для болтов 8, 9.

Срезаемые болты ввинчиваются в резьбовые отверстия, выполненные в торце 11, который приварен к корпусу 12 главной фрезы 5 или является его частью. Главная фреза 5 снабжена множеством концевых резцов 13, которые располагаются поперек концевой поверхности фрезы 5, и множеством боковых резцов 14, которые располагаются вдоль боковой поверхности корпуса 12 на расстоянии от концевых резцов 13. Торец 11 находится между смежными боковыми резцами 14. Прочность срезаемых болтов 8, 9 выбрана так, что все устройство может быть надежно спущено в скважину, и пакер 7 может быть установлен и проверен без опасности срезания болтов 8, 9. После этого может быть приложена соответствующая нагрузка вверх или вниз к устройству для того, чтобы срезать болты 8, 9 и, таким образом, освободить от уипстока главную фрезу 5, установочный инструмент 4, гибкое соединение 3, шаровую фрезу 2 и клапан 1. Фрезерование трубы после этого может начаться, как это описано ниже.

Надо заметить, что внутренний диаметр обсадной трубы 15 определяется общим размером главной фрезы 5 и хвостовика 10. Из этого следует, что диаметр главной фрезы 5 будет меньше, чем внутренний диаметр обсадной трубы 15. Например, в обсадной трубе, имеющей внутренний диаметр 8,68 дюйма, действующий диаметр уипстока должен быть порядка 8,0 дюйма, следовательно, диаметр фрезы должен быть порядка 7,76 дюйма. В результате диаметр просвета окна, которое нужно выфрезеровать главной фрезой, может быть меньше, чем внутренний диаметр обсадной трубы 15. Однако шаровая фреза 2 может иметь действующий диаметр, равный внутреннему диаметру обсадной трубы 15 (за вычетом необходимого зазора), и соответственно окно, выфрезерованное главной фрезой 5, будет развальцовано до полного диаметра шаровой фрезой.

Перепускной клапан 1, шаровая фреза 2 и гибкое соединение могут быть стандартными, известными по опыту бурения скважин, и их устройство, конструкция и эксплуатация хорошо известны специалистам в этой области.

Фиг. 4 иллюстрирует более детально установочный инструмент 4 и главную фрезу 5.

Установочный инструмент 4, показанный на фиг. 4, является гидравлическим устройством, создающим давление, который состоит из цилиндра 16 и поршня 17, плотно скользящего в цилиндре 16. Поршень 17 показан в начальном положении или близком к нему. Цилиндр 16 над поршнем 17 образует камеру 18 для промывочной жидкости, которая соединена через центральные отверстия в гибком соединении 3 и шаровой фрезе 2 с перепускным клапаном 1. Цилиндр 16 под поршнем 17 образует гидравлическую камеру 19, которая вначале наполняется гидравлической текучей средой. Для наполнения цилиндра 19 поршень 17 предпочтительно снабжен заправляющей трубой 20" со съемной концевой крышкой 21".

Указанная камера 19 соединена с гидравлическим пакером через дополнительную камеру 20, образованную в главной фрезе, и гибкий шланг или трубу 21, проходящую от ниппеля 22, присоединенного к главной фрезе 5, вдоль поверхности верхней части уипстока 6 и дальше через осевое отверстие 23, выполненное в уипстоке 6. На нижнем конце уипстока 6 труба 21 открывается в рабочую камеру 24 гидравлического пакера 7. Гидравлический пакер 7 может быть любой подходящей конструкции. Камера 20 во время фрезерования используется для прохождения промывочной жидкости от буровой колонны к промывочным окнам 25 в главной фрезе 5. Для предотвращения потерь гидравлической жидкости через промывочные окна 25 перед началом фрезерования внутри камеры 20 расположено средство 26, отводящее поток, показанное в начальном положении, которое изолирует камеру 20 от промывочных окон 25. Средство, отводящее поток, удерживается в начальном положении срезаемым кольцом 27.

При использовании все устройство, показанное на фиг.1, вместе с любым необходимым оборудованием для ориентации опускают в скважину на необходимую глубину, поворачивают для совмещения лицевой поверхности уипстока с требуемым направлением и затем устанавливают гидравлический пакер. При установке пакера скорость потока через буровую колонну увеличивают для закрытия перепускного клапана и создания статического давления текучей среды внутри буровой колонны. Статическое давление текучей среды прилагается к поршню 17 для того, чтобы поднять давление гидравлической текучей среды в гидравлической камере 19. Гидравлическая текучая среда под давлением течет из камеры 19 через камеру 20, ниппель 22 и шланг 21 в рабочую камеру 24 гидравлического пакера.

После того как соответствующее давление в буровой колонне будет выдерживаться достаточное время для установки пакера 7, установку пакера можно проверить применением соответствующей нагрузки вверх или вниз на буровую колонну. Если этот тест подтвердит установку пакера, то применяется более высокая нагрузка вверх или вниз на буровую колонну для того, чтобы срезать болты 8, 9, которые соединяют главную фрезу 5 с хвостовиком 10 уипстока 6. Фреза 5 затем оттягивается от уипстока 6 для того, чтобы разорвать шланг 21 или разрушить концевое соединение шланга 21 и ниппеля 22. Предпочтительно, чтобы разрыв шланга 21 происходил или у ниппеля 22, или выше места, где шланг 21 входит в проход 23. Разрыв шланга 21 позволяет вытеснить гидравлическую текучую среду, оставшуюся в камере 19, в кольцевой зазор, в результате чего поршень 17 будет быстро двигаться вниз под влиянием давления жидкости буровой колонны в камере 18. Поршень 17 затем ударит по отводящему средству 26 и разрушит срезаемое кольцо 27, позволяя отводящему средству 26 и поршню 17 занять положения, показанные на фиг. 5. В этих положениях поршень 17 выдвинулся из цилиндра 16 для создания прохода вокруг поршня 17, как показано стрелкой A. Окна 28, выполненные в поршне 17, позволяют жидкости течь из внешнего пространства поршня в его внутреннее пространство и затем в камеру 20 через внутреннюю часть отводящего устройства 26. Центрированные окна 29 и 30 в отклоняющем средстве 26 и монтажной муфте 31 позволяют по току течь из камеры 20 к промывочным окнам 25. В соответствии с положением компонентов, показанных на фиг. 5, жидкость из буровой колонны может течь наружу через промывочные окна 25 для охлаждения и смазки резцов 13, 14 и удаления отходов фрезерования от резцов и передвижения их по кольцевому проходу вверх скважины.

Как только болты 8, 9 будут срезаны и открываются окна 25, как описано выше, фрезерный инструмент сможет вращаться и может быть опущен, чтобы начать фрезерование окна в обсадной трубе. На конце уипстока 6, непосредственно ниже хвостовика 10, выполнена наклонная поверхность 32, которая наклонена под относительно большим углом, например 5^o, к продольной оси ствола скважины. Наклонная поверхность 32 закаливается или покрывается твердым материалом или снабжается износоустойчивыми вставками, например карбид вольфрамовыми или алмазными, для предотвращения чрезмерного износа наклонной поверхности 32 в результате контакта с ней боковых резцов 14 главной фрезы. Боковые резцы закалены таким же образом или же изготовлены из твердого и износоустойчивого материала, например из карбида вольфрама, так что они не будут чрезмерно изнашиваться в результате трения при контакте с наклонной поверхностью 32. При опускании фрезерного инструмента действие наклонной поверхности 32 заключается в смещении главной фрезы 5 горизонтально по отношению к стволу скважины, приводя тем самым внешнюю кромку концевых резцов 13 и боковых резцов 14 в положение контакта с обсадной трубой. Обсадная труба, которая относительно мягче, чем материал резцов 13, 14, будет расфрезерована действием этих резцов. Хотя некоторая часть фрезерования будет производиться вначале концевыми резцами 13, основная часть начального фрезерования производится боковыми резцами 14, так как главная фреза смещается по боковым направляющим наклонной поверхности 32.

Главная (основная) отклоняющая поверхность 33 уипстока 6 переходит в наклонную поверхность 32 в точке 34, которая соответствует моменту прорезания обсадной трубы главной фрезой. Главная отклоняющая поверхность 33 наклонена на относительно меньший угол от оси ствола скважины, например на 2,8^o. Продолжающееся движение вниз фрезерного инструмента приводит к вскрытию требуемого окна. В течение этой фазы операции (то есть после прорезания обсадной трубы и до завершения окна) основная часть фрезерования выполняется концевыми резцами 13, а боковые резцы 14 используются для подчистки периферии окна, которое было прорезано концевыми резцами 13, и для приведения к заданному диаметру. Надо заметить, что концевые резцы 13, которые необходимы для производства основной работы при фрезеровании окна, ни на какой стадии не трутся о поверхность уипстока 6 и поэтому сохраняют максимальную остроту для требуемого окончательного фрезерования. Боковые резцы 14, произведя начальное прорезание окна, во время остальной части формирования окна требуются для выполнения сравнительно небольшого объема фрезерования, и соответственно, если зубцы тупятся в результате трения об уипсток, это не представляет опасности для инструмента.

Как упоминалось выше, размер главной фрезы 5 несколько меньше, чем размер внутреннего диаметра обсадной трубы главного ствола скважины. При желании иметь максимально возможный диаметр отвода выбирают шаровую фрезу максимального размера, соответствующего главному стволу скважины, в результате чего окно и боковой ствол скважины будут расфрезерованы шаровой фрезой, когда она проходит через участок прохода, первоначально прорезанный главной фрезой 5.

Фиг. 2 иллюстрирует альтернативный вариант выполнения изобретения, который в некоторых случаях может быть полезным. В этом варианте гидравлический пакер 7 предыдущего варианта заменяется донным опускным анкером, который не требует гидравлической установки. Следовательно, установочный инструмент 7 и гидравлические соединения, описанные выше со ссылкой на фиг. 1, не требуются для устройства, показанного на фиг. 2. Главная фреза 36 устройства фиг. 2 укреплена на хвостовике 37 уипстока 38 таким же образом, как главная фреза 5 укреплена на хвостовике 10 уипстока, показанного на фиг. 1, что более детально показано на фиг. 3. Уипсток 38 имеет такую же наклонную поверхность 32, главную отклоняющую поверхность 33 и место 34 перехода, как уипсток 6, и соответственно, как только донный опускной анкер 35 установлен, и срезаемые болты, соединяющие главную фрезу 36 и хвостовик 37, срезаны, фрезерование может начинаться, как описано выше со ссылкой на фиг. 1.

Конечно, надо принять во внимание, что одна или больше дополнительных фрез, например шаровая фреза, как было описано выше со ссылкой на фиг. 1, могут быть нормально присоединены к устройству фиг. 2 над фрезой 36. Например, шаровая фреза, показанная на фиг. 1, вместе с гибким соединением, показанным на фиг. 1, могут быть присоединены над фрезой 36 посредством подходящих соединений.

Надо принять во внимание специалистам, что в обеих вариантах, представленных на фиг. 1 и фиг. 2, после прорезания требуемого окна в обсадной трубе и начального фрезерования бокового отвода последующее бурение бокового отвода может быть эффективным при использовании главной фрезы 5 или 36, если требуемый размер бокового отвода и его образование допускают применение таких инструментов. В альтернативном варианте фрезерный инструмент должен быть убран из ствола скважины и может быть использована соответствующая буровая колонна для продолжения бурения бокового отвода. В общем, желательно, чтобы уипсток можно было убирать после завершения бокового отвода, и для этой цели верхний конец уипстока предпочтительно изготавливается с резьбой на тыльной поверхности 39 для того, чтобы извлекающий инструмент, имеющий внутреннюю резьбу на своем переднем конце, мог опускаться над верхним концом уипстока для соединения с винтовой резьбой и был способен извлечь уипсток. Если требуется извлечение уипстока, то должны быть предусмотрены средства для обеспечения отделения уипстока от соединенного с ним пакера или анкера или, в альтернативном варианте, конструкция пакера или анкера должна допускать извлечение с помощью обычной техники извлечения.