гидравлический отклонитель

Формула изобретения

Гидравлический отклонитель, содержащий клин-отклонитель с наклонной рабочей поверхностью, выполненной в виде желоба, и узел опоры, включающий цилиндрический полый корпус с окнами для плашек, расположенный в упомянутом полом корпусе распорный элемент с наклонными поверхностями, на которых с возможностью перемещения размещены плашки, имеющие на лицевой поверхности зубья, а с тыльной стороны - паз, соответствующий Т-образному выступу на наклонной поверхности распорного элемента, гидравлическую камеру и гибкий шланг высокого давления для подачи жидкости в гидравлическую камеру, отличающийся тем, что он снабжен размещенными между клином-отклонителем и цилиндрическим полым корпусом узла опоры переходником и пакерами, при этом распорный элемент имеет направляющую часть, выполненную внизу в виде поршня, и переходящую в распорную часть, выполненную в виде правильной трехгранной усеченной суженной книзу пирамиды, ребра которой образованы наклонной поверхностью и имеют выступы под плашки, зубья которых выполнены с наклоном вниз, а плашки радиально размещены в окнах, выполненных в нижней части цилиндрического полого корпуса узла опоры под углом 120° относительно друг друга, при этом в верхней части корпуса узла опоры выполнена кольцевая расточка и упор, образующие с цилиндрической поверхностью направляющей части распорного элемента гидравлическую камеру, которая связана с гибким шлангом посредством выполненных соответственно в переходнике и в направляющей части распорного элемента полостей, последняя из которых связана с гидравлической камерой через распределитель, выполненный в направляющей части в виде 3 сквозных под углом 120° относительно друг друга отверстий, а корпус узла опоры установлен с возможностью перемещения вдоль направляющей части распорного элемента с одновременным изменением объема гидравлической камеры, на торце цилиндрического полого корпуса узла опоры одета заглушка, закрепленная резьбовым соединением с распорной частью распорного элемента, между внутренней поверхностью полого цилиндрического корпуса узла опоры и внешней поверхностью распорного элемента установлены уплотнители.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике.

Оно может быть использовано многократно для прорезания «окна» в обсадной колонне и забуривания бокового ствола в скважину с использованием клина-отклонителя.

Известен отклонитель [1], состоящий из корпуса клина-отклонителя, имеющего верхнюю направляющую и нижнюю распорную части, соединенного с режущим инструментом в верхней части клина-отклонителя. Через режущий инструмент проходит высокого давления гибкий шланг. Направляющая часть клина-отклонителя выполнена наклонной в виде желоба. Вверху клина-отклонителя имеется ловильное гнездо для заведения в него крюка при извлечении из скважины клина и для проводки шланга внутрь клина. В распорной части клина-отклонителя имеется неразъемная камера, в которой находится подпружиненный полый поршень. Поршень сверху соединен с гибким шлангом резьбой и в него вставлен входной клапан с шариком. Между корпусом клина-отклонителя и корпусом поршня имеются уплотнения. Нижний торец входного клапана выполнен в форме раструба, в который заведен и закреплен на корпусе приводной стержень. Приводной стержень выполнен в виде сплошной втулки в форме усеченного конуса с выемкой - седлом для шарика. Приводной стержень своей нижней частью выходит из камеры в полость, где размещен рычажный механизм с фиксирующим элементом в виде стержня. Приводной стержень соединен с вертикальным рычагом шарнирно. Вертикальный рычаг закреплен на ведущем рычаге также шарнирно. В распорной части клина-отклонителя шарнирно закреплены в корпусе с одной стороны ведущий и ведомый рычаги, а с другой имеется паз продольный, в котором размещен зажимной стержень, соединенный с ведущим и ведомым рычагами шарнирно через проушины в нем. Вдоль тыльной стороны клина-отклонителя выполнен паз, в котором размещен стержень, выполняющий роль срезного элемента. Стержень закреплен в нижней части корпуса клина на срезном клапане. Срезной стержень имеет утолщение в верхнем торце, а в отверстии для крюка имеется паз для заведения срезного стержня крюком в него при извлечении отклонителя из скважины.

Несмотря на то что отклонитель извлекаем и может быть использован повторно, конструкция и размещение срезной системы ненадежны в эксплуатации, т.к. не гарантируют своевременный разрыв срезного клапана и сброс давления жидкости в камере, что приведет к раскреплению клина и срыву процесса бурения. Поскольку отклонитель закреплен за счет рычажной системы зажимным элементом на стенке обсадной колонны, то несвоевременный срез (за счет деформации срезного стержня) стержня и разрыв клапана приведет к сбросу клина-отклонителя в скважину. Режущий инструмент при этом должен перекрыть собой доступ к последующей операции по прорезанию «окна» в обсадной колонне и зарезке бокового ствола в скважину на длительный срок, пока не извлекут всю компоновку из скважины. Конструкция сложна, как и взаимосвязь между элементами. В случае своевременного среза, после извлечения отклонителя система срезания подлежит полному восстановлению, т.к. выходной клапан одноразовый. Многошарнирная система закрепления в рычажной системе ведет к тому, что возможно некачественное закрепление зажимного элемента на стенке обсадной колонны и возможен проворот клина и его отклонение. Тем более, что корпус клина-отклонителя устанавливается и закрепляется на стенке обсадной колонны под углом к оси скважины. Наличие одного фиксирующего элемента в отклонителе не гарантирует прочного сцепления со стенкой обсадной колонны и не может удержать всю компоновку «на весу», т.к. под тяжестью устройства материал (сталь) стенки обсадной колонны будет деформироваться.

Известен отклонитель [2], содержащий направляющий клин, фрезу с приспособлением для подачи жидкости к клину, срезной болт, соединяющий фрезу с клином, анкерный пакер, узел соединения клина с анкерным пакером, сквозное отверстие для жидкости в направляющем клине и анкерном пакере. Направляющий клин имеет наклонную поверхность для перемещения фрезы. Анкерный пакер представляет собой агрегат, содержащий кожух, трубу со сквозным отверстием, в котором находится цилиндрической формы полый сердечник. Кожух соединен с верхним концом сердечника винтовой нарезкой. Имеется ведущий цилиндр, соединенный с верхним концом кожуха. Цилиндр ведущий имеет сквозное отверстие по центру и своим верхним концом соединен с трубой, на конце которой имеется клапан. Нижняя часть направляющего клина связана с пакерным агрегатом жестко кольцевым рукавом, болтом и соединительной (переходной) муфтой, навинченной на нижний конец направляющего клина. Рукав закреплен болтом. Нижний конец сердечника включает наружный уступ, являющийся опорой для анкерного пакера. Анкерный пакер имеет плашки, размещенные вкруговую над уступом. Клинья на пакере усиливают закрепление плашек в стенке обсадной колонны. Клинья закреплены срезными болтами. Верхний ряд плашек расположен под подвижной муфтой, которая обеспечивает закрепление сердечника и которая закреплена срезным болтом. Внутри кожуха имеется подвижный поршень, который скользит по стенке кожуха. Имеется и поршень в виде штанги, который перемещает подвижную пластинку под поршнем внутри кожуха. Поршень внутри кожуха под действием жидкости опускается на пластинку внутри трубы, пластинка перемещает муфту вниз, агрегат анкерного пакера фиксируется в заданном направлении.

Устройство в опорной части усложнено элементами и взаимосвязью элементов, а также большим количеством срезных болтов, что создает сложности при его сборке и эксплуатации и не гарантирует запланированное отсоединение деталей, скрепленных срезными болтами.

Устройство анкерного пакера, представляющее сложно взаимосвязанную и многоэлементную систему, дорого в изготовлении. Случай несрабатывания какого-либо из элементов приведет к выходу из строя всей компоновки.

В качестве прототипа выбрано устройство [3] наиболее близкое по технической сущности и положительному эффекту к предлагаемому изобретению. Устройство - клиновой отклонитель, включает направляющий клин с наклонной рабочей поверхностью, узел опоры. Узел опоры включает выдвижные распорные элементы в виде верхней и нижней плашек с зубьями на лицевой поверхности и наклонными поверхностями в виде паза - на тыльной стороне. Узел опоры содержит полый корпус, который жестко соединен с направляющим клином. Направляющий клин-отклонитель с противоположной стороны рабочей поверхности имеет паз для размещения в последующем шланга высокого давления. В корпусе узла опоры размещен подвижный сплошной поршень, удерживаемый в корпусе срезной шпилькой. Поршень имеет наклонные поверхности под плашки, выполненные в виде выступов, соответствующих пазам плашек. Между корпусом узла опоры и поршнем размещены уплотнители. Верхняя часть направляющего клина закреплена с подвесным устройством срезным болтом. В нижней части клина-отклонителя имеется полость, которая выполнена замкнутой и связана со шлангом высокого давления посредством бокового отверстия в направляющем клине. Рабочая поверхность направляющего клина имеет вид желоба, который выполнен со стороны верхней плашки. Корпус узла опоры дополнительно имеет радиальное отверстие для обеспечения сброса давления жидкости в камере, образованной при перемещении сплошного поршня относительно клина, что служит показателем закрепления отклонителя на требуемом уровне в скважине. Радиальное отверстие расположено от верхнего торца поршня вниз на расстоянии «S», зависящем от хода плашки в поперечном относительно оси отклонителя направлении «h» и угла наклона выступа на поверхности поршня « », определяемом по формуле: S=h/tg .

Устройство отличается простотой конструкции деталей и их взаимодействия, но конструктивно отклонитель рассчитан на установку на забой, т.к. для закрепления на стенке обсадной колонны необходимо большее давление на плашки, чтобы удержать компоновку. Закрепление на стенке обсадной колонны отклонителя проблематично и в случае недостаточного давления жидкости на поршень. Нижняя торцевая часть полости корпуса отклонителя открыта и способна воспрепятствовать движению поршня вниз в случае засорения при установке на стенке обсадной колонны. В случае отклонения от рассчитанного внутреннего диаметра обсадной колонны (трубы) в месте или местах закрепления плашки или обеих плашек, а также установка и закрепление и на забой, и особенно на стенках обсадной колонны не будут реализованы. К тому же отклонитель неизвлекаем.

Задачей изобретения является повышение надежности закрепления на стенках обсадной колонны, извлекаемость отклонителя в целом, независимость плотности закрепления устройства на стенках обсадной колонны от перепада размеров внутреннего диаметра обсадной колонны при простоте конструкции и взаимосвязи элементов в ней.

Технический результат изобретения достигается тем, что гидравлический отклонитель, содержащий клин-отклонитель с наклонной рабочей поверхностью, выполненной в виде желоба, и узел опоры, включающий цилиндрический полый корпус с окнами для плашек, расположенный в упомянутом полом корпусе распорный элемент с наклонными поверхностями, на которых с возможностью перемещения размещены плашки, имеющие на лицевой поверхности зубья, а с тыльной стороны - паз, соответствующий Т-образному выступу на наклонной поверхности распорного элемента, гидравлическую камеру и гибкий шланг высокого давления для подачи жидкости в гидравлическую камеру, согласно изобретению он снабжен размещенными между клином-отклонителем и цилиндрическим полым корпусом узла опоры переходником и пакерами, при этом распорный элемент имеет направляющую часть, выполненную внизу в виде поршня, и переходящую в распорную часть, выполненную в виде правильной трехгранной усеченной суженной книзу пирамиды, ребра которой образованы наклонной поверхностью и имеют выступы под плашки, зубья которых выполнены с наклоном вниз, а плашки радиально размещены в окнах, выполненных в нижней части цилиндрического полого корпуса узла опоры под углом 120° относительно друг друга, при этом в верхней части корпуса узла опоры выполнена кольцевая расточка и упор, образующие с цилиндрической поверхностью направляющей части распорного элемента гидравлическую камеру, которая связана с гибким шлангом посредством выполненных соответственно в переходнике и в направляющей части распорного элемента полостей, последняя из которых связана с гидравлической камерой через распределитель, выполненный в направляющей части в виде трех сквозных под углом 120° относительно друг друга отверстий, а корпус узла опоры установлен с возможностью перемещения вдоль направляющей части распорного элемента, с одновременным изменением объема гидравлической камеры, на торце цилиндрического полого корпуса узла опоры одета заглушка закрепленная резьбовым соединением с распорной частью распорного элемента, между внутренней поверхностью полого цилиндрического корпуса узла опоры и внешней поверхностью распорного элемента установлены уплотнители.

По сравнению с прототипом заявленное устройство существенно отличается от прототипа: корпус узла опоры отделен от клина-отклонителя и закреплен на направляюще-распорном элементе, размещенном внутри корпуса. При этом направляюще-распорный элемент неподвижен, а корпус - подвижен, что позволяет при запасе хода плашек (увеличенной длине выступов) по наклонной поверхности распорной части элемента обеспечить плавное движение составляющих узла опоры относительно друг друга и осуществить плотное внедрение зубьев плашки в стенки обсадной колонны даже в случае, если внутренний диаметр стенки будет больше расчетного в месте врезания плашек в нее. Впервые роль поршня выполняет корпус узла опоры. При этом перемещается корпус за счет гидравлики, выполненной в корпусе. Из гибкого шланга высокого давления жидкость, проходя по полостям в переходнике и в направляющей части элемента, подается через распределитель, выполненный в виде отверстий (три сквозных отверстия) в камеру в верхней части корпуса, позволяя корпусу, а не направляюще-распорному элементу перемещаться вместе с плашками вверх по наклонным поверхностям выступов. Это конструктивное решение позволяет упростить технологию закрепления плашек на стенке обсадной колонны по сравнению с известными отклонителями [1, 2] и качественно реализовать эту технологию по сравнению с прототипом. При перемещении корпуса узла опоры под давлением жидкости направляющей является вертикальная составляющая Т-образной части элемента. Перемещение корпуса увеличивает объем камеры, а распределитель - в виде «тройника», выполненного из сквозных сообщающихся между собой отверстий, способствует заполнению камеры жидкостью в режиме ее турбулизации, которая усиливает подъемную силу корпуса, плотность закрепления плашек на стенке обсадной колонны. Радиальное размещение трех плашек в нижней части корпуса узла опоры и пакеров - над корпусом также способствует более надежной, чем [1,2] рычажная система закрепления единственным зажимным элементом, и более надежной, чем в прототипе [3], установке клина-отклонителя в скважине и закреплению клина-отклонителя на стенке обсадной колонны. Выполнение зубьев на плашке с наклоном вниз позволяет уменьшить усилия, прилагаемые к отклонителю при его извлечении из скважины, чему дополнительно способствует снятие напряжений с пакеров после их деформации при перемещении корпуса узла опоры вверх под избыточным давлением жидкости, поступающей в камеру. Пакеры после прекращения подачи жидкости в камеру и снятия давления на корпус узла опоры стремятся к восстановлению формы. Усилия, приложенные на отрыв отклонителя от стенок обсадной колонны, ускорят этот процесс. В результате извлечение отклонителя произойдет без срезания болтов, разрушения части устройства, как это происходило ранее [4, 5].

В отличие от прототипа корпус узла опоры надежно изолирован с нижнего торца заглушкой, а сверху - пакерами, обеспечивая незасоряемость внутренней части корпуса и гарантируя повышенное качество установки отклонителя в скважине и закрепление на стенках обсадной колонны. Тем самым повышается работоспособность устройства, а соответственно и режущего инструмента. Корпус узла опоры, в отличие от прототипа, закреплен на направляюще - распорном элементе. Его удерживают от перемещения вниз - заглушка, а также упор, размещенный в кольцевой расточке с внутренней стороны корпуса и плашки, закрепленные в нижней части на наклонных выступах распорной части направляюще-распорного элемента. Корпус узла опоры от непроизвольного перемещения вверх в исходном (транспортном положении отклонителя) состоянии удерживают пакеры.

На основании сравнительных данных заявленное устройство имеет «новизну», «изобретательский уровень» и относится к техническим решениям. Промышленная применимость изобретения доказана на трех опытных образцах в реальных эксплуатационных условиях на буровой в г. Перми. Предполагается внедрение в ООО «БИТТЕХНИКА» и других объектах РФ того же назначения. Конструкторская проработка устройства завершена.

На фиг.1 представлена компоновка отклонителя в транспортном положении, разрез.

Фиг.2а - сечение А-А на фиг.1, фиг.2б - сечение Б-Б фиг.1.

На фиг.3 представлено устройство после установки и закреплении на стенках обсадной колонны, в разрезе.

На фиг.4 показано направление зубьев плашки, разрез.

На фиг.5 - устройство в момент извлечения из скважины.

Устройство содержит клин-отклонитель 1. Клин-отклонитель 1 имеет наклонную поверхность 2, по которой перемещается режущий инструмент 3, закрепленный на клине-отклонителе срезным болтом 4. Отклонитель имеет узел опоры, состоящий из корпуса 5, направляюще-распорного элемента, который имеет направляющую часть 6 Т-образной формы, горизонтальной составляющей вниз, и распорную часть 7, в сечении представляющую собой правильную трехгранную усеченную пирамиду 8, суженную книзу. Ребра пирамиды 9 являются наклонными поверхностями в виде выступов Т-образной формы. Корпус 5 имеет внизу «окна» под плашки и размещенные в них плашки 10, которые закреплены на выступах 9 в распорной части элемента внутри корпуса 5. Плашки имеют зубья 10 на лицевой поверхности и пазы 11 - на тыльной стороне. В верхней части корпуса 5 на внутренней поверхности выполнена круговая расточка 12 и упор 13. Внутренняя поверхность корпуса 5 в месте выполнения круговой расточки служит одной из образующих поверхностей гидравлической камеры 14. Другой образующей поверхностью гидравлической камеры является цилиндрическая поверхность 15 вертикальной составляющей направляющей части элемента.

Между клином-отклонителем 1 и корпусом 5 узла опоры имеются переходник 16 и пакеры 17. В переходнике и в направляющей части элемента выполнены полости 18 и 19, последняя из которых связана с гидравлической камерой через распределитель, выполненный в направляющей части в виде трех сквозных под углом 120° относительно друг друга отверстий, способствующих усилению подъемной силы жидкости, приводящей в движение вверх корпус 5 по направляющей 6. Между направляюще-распорным элементом 6, 8 и корпусом 5 размещены уплотнители 22. На корпус 5 надета заглушка 23, а закреплена заглушка на направляюще - распорном элементе 6, 8 в торце распорной части резьбовым соединением 24.

Устройство работает следующим образом.

Отклонитель на колонне бурильных труб спускают в скважину на заданную глубину, определяемую местом прорезания «окна» в стенке обсадной колонны. Включают насос (не показан) и подают жидкость через режущий инструмент 3 по гибкому шлангу 20, размещенному вдоль клина-отклонителя 1 с противоположной стороны наклонной рабочей поверхности 2 к переходнику 16, в котором имеется полость 18. Далее жидкость проходит под высоким давлением по полостям 18 и 19, попадает к распределителю 21, выполненному в виде сквозных отверстий под углом 120° относительно друг друга. Из распределителя 21 жидкость устремляется в камеру 14, образованную кольцевой расточкой 12 внутренней поверхностью корпуса 5 и цилиндрической частью поверхности 15 направляюще-распорного элемента (6, 7), размещенной в вертикальной составляющей Т-образной формы направляющей части элемента. Распределитель 21 позволяет создать вращение струй жидкости в камере, что эффективно сказывается на процессе перемещения корпуса 5 вверх относительно неподвижного направляюще-распорного элемента. При этом образуются газовые пузырьки, которые, как известно, обладают большой подъемной силой. При перемещении вверх корпус 5 перемещает плашки 10 по наклонной поверхности 9. Выдвигаясь из «окна», плашки врезаются в стенки обсадной колонны 25. При этом пакеры 17 деформируются и усиливают плотность и надежность закрепления узла опоры на стенках скважины, как и клина-отклонителя в узле опоры. Но пакеры, деформируясь, одновременно герметизируют зазор между отклонителем и стенками скважины, не допуская загрязнения пространства над корпусом 5 узла опоры и направляющей поверхности 6, обеспечивая надежность работы элементов и узлов в отклонителе в целом. Уплотнители 22 увеличивают степень герметизации корпуса на всех этапах эксплуатации узла опоры. После завершения операции по закреплению отклонителя на стенках обсадной колонны (о чем свидетельствует стабилизация уровня давления жидкости в камере) срезают шланг высокого давления, разгружают колонну труб, срезая болт 4, соединяющий режущий инструмент 3 с клином-отклонителем. Режущий инструмент перемещается по наклонной поверхности 2 клина-отклонителя вниз, фрезеруя стенку обсадной колонны.

После окончания прорезания окна и возможно забуривания бокового ствола в скважину возвращают режущий инструмент, затем отклонитель извлекают на поверхность. Для этого крюком зацепляют за верх клина-отклонителя и прикладывают усилие вверх, необходимое для выхода из зацепления плашек со стенками обсадной колонны. Пакеры при этом стремятся восстановить свою форму, и в свою очередь, оказывают на корпус давление вниз, вынуждая его спускаться вниз к заглушке вместе с плашками по выступам в исходное положение. Плашки углубляются в корпус и освобождают отклонитель от зацепления со стенками. Зубья плашек, выполненные с наклоном вниз, работают в данном случае на ослабление связи со стенкой при приложении к клину-отклонителю и, следовательно, к направляюще-распорному элементу усилий, направленных вверх. Отклонитель вновь готов к работе.

В предлагаемом устройстве клин-отклонитель, корпус узла опоры, и направляюще-распорный элемент выполнены из стали У7 (ГОСТ 1435-90) или стали 40. Зубья плашки выполнены нарезкой. Срезной болт выполнен из стали, выбранной исходя из усилий среза. Кольцевая расточка в корпусе, пазы, желоб и плашка выполнены фрезерованием. Уплотнители выполняются в виде колец из резины или другого уплотняющего материала и вставлены в пазы.

Пакеры выполнены из упругого материала типа резины с техническими требованиями по ГОСТ 6365-74.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство имеет преимущества:

- устройство извлекаемо без нарушения целостности составляющих частей и элементов в нем. Оно многоразового пользования;

- устройство надежно закрепляется на стенках обсадной колонны;

- впервые в качестве поршня используют полый корпус узла опоры (из других источников известно, что корпус может быть подвижным, но он не перемещается вдоль, а вращается и выполняет другие функции, не решая задачу предлагаемого изобретения (а.с. №1802058, МКИ Е21В 7/08 от 22.10.1990 г., а.с. №1011851 от 16.01.80 г.). Корпус смещает плашки по наклонным поверхностям выступов, что надежней и проще закрепляет отклонитель на стенках обсадной колонны. Усиливает прочность сцепления и закрепления устройства на стенках также и наличие пакеров, и формообразование камеры с распределителем жидкости в ней, и создание при этом турбулентного движения этой жидкости;

- отклонитель защищен от загрязнений над и под корпусом узла опоры за счет оптимального размещения элементов герметизации - пакеров и заглушки, одновременно являющихся элементами, которые удерживают корпус узла опоры от незапланированного перемещения вдоль оси устройства. Плашки, размещенные радиально под 120° относительно друг друга на выступах неподвижного направляюще-распорного элемента, не позволяют корпусу совершать вращательное движение, предотвращая проворачивание клина-отклонителя. Тем самым исключаются осложнения, вызываемые проворачиванием и потерей устойчивости отклонителя;

- устройство позволяет выбрать способ крепления клина-отклонителя с узлом опоры исходя из конкретной задачи, внутреннего диаметра обсадной колонны и угла фрезерования абразивным инструментом «окна» или бокового ствола в скважину.

Источники информации

1. Пат. США №6755248, МКИ Е21В 7/08 от 02.10.03 г. (аналог).

2. Пат. США №4397355, МКИ Е21В 7/08 от 08.09.83 г. (аналог).

3. Пат. РФ №2166058, МКИ Е21В 7/08 от 01.06.99 г. (прототип).

4. Пат. РФ №2148695, МКИ Е21В 7/08 от 30.04.98 г.

5. А.С. №2069732, МКИ Е21В 7/08 от 27.11.96 г.

6. А.С. №1802058, МКИ Е21В 7/08 от 22.10.90 г.

7. А.С. №1011851, МКИ Е21В 7/08 от 16.01.80 г.

8. А.С. №148767, МКИ Е21В 7/08 от 23.01.61 г.