устройство для забуривания боковых стволов из скважины

Формула изобретения

Устройство для забуривания боковых стволов из скважины, включающее отклоняющий клин с гидравлическим закрепляющим механизмом, между которыми размещен переводник, подвижное соединение между переводником и клином, узел фиксации отклоняющего клина, установленный в переводнике и выполненный в виде фиксирующего приспособления и поршня со штоком, размещенных в гидроцилиндре, полость которого сообщена с полостью закрепляющего механизма, при этом верхняя часть штока установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина со стороны его направляющей плоскости, режущий инструмент, прикрепленный к верхней части отклоняющего клина посредством срезного болта, подающую трубку для подачи жидкости, связывающую полость бурильных труб и полость режущего инструмента с полостью закрепляющего механизма, причем нижняя часть клина со стороны его направляющей поверхности выполнена в виде клинового выступа, направленного вниз, со скошенной плоскостью, обращенной противоположно направляющей поверхности клина, при этом верхняя часть штока выполнена в виде бокового среза, выполненного с возможностью взаимодействия со скошенной плоскостью клина, между которыми размещено фиксирующее приспособление, отличающееся тем, что срезной болт оснащен наружной кольцевой проточкой, расположенной ниже отклоняющей поверхности клина, и внутренней заглушенной полостью, заполненной взрывчатым веществом с взрывателем, а поршень узла фиксации снабжен элементом электрического питания и зафиксирован в транспортном положении замковым элементом, открывающимся при давлении, превышающем давление установки в скважине закрепляющего механизма, причем один из выводов взрывателя соединен кабелем с одним из полюсов элемента питания, а другой - с контактом на внутренней поверхности гидроцилиндра узла фиксации, при этом второй полюс элемента питания соединен с подпружиненным контактом, расположенным на наружной поверхности поршня и выполненным с возможностью взаимодействия с контактом гидроцилиндра при перемещении поршня в гидроцилиндре в сторону клина.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин, а именно для забуривания боковых стволов из ранее пробуренных обсаженных и необсаженных скважин.

Известно устройство для забуривания бокового ствола (пат. RU 2211298, МПК 7 Е21В 7/08, оп. 27.08.2003 г., бюл. № 24), включающее корпус с направляющим желобом, расположенную в корпусе пороховую камеру и выдвижные косые плашки, при этом устройство снабжено дисбалансированным хвостовиком, который жестко зафиксирован в корпусе с учетом необходимого угла перекоса между проектным и существующим азимутами ствола.

Недостатками устройства являются:

- узкая область применения устройства, его возможно доставить до места установки только в обсаженных вертикальных или наклонно направленных скважинах с небольшим набором зенитного угла, т.к. оно движется по стволу скважины только под действием собственной силы тяжести, в участках скважины с интенсивным набором зенитного угла и горизонтальных участках сила тяжести будет прижимать устройство к нижней стенке скважины, увеличивая силу трения, а шероховатая поверхность обсадной колонны увеличивает коэффициент трения, в сумме они уменьшат осевую силу тяжести до нуля и устройство не дойдет до расчетного интервала установки. В открытом стволе скважины шероховатость стенки на порядок выше, чем в обсадной колонне, наличие глинистой корки, создающей эффект прилипания, участки осыпающихся пород полностью препятствуют продвижению любого инструмента по стволу скважины под действием собственной силы тяжести;

- жесткая конструкция устройства увеличивает вероятность аварийных ситуаций при его спуске и установке в открытом стволе скважины из-за большой длины и жесткости отклонителя, что может привести к посадкам устройства на неровностях и в местах искривлений ствола скважины, тем более, что нижний конец имеет заостренную форму, попытки освободить его натяжением каротажного кабеля приведут к тому, что верхний острый конец вопьется в стенку скважины, развернет устройство поперек ствола и заклинит его. В результате резкой остановки устройства в каротажном кабеле возникнут ударные нагрузки, которые могут разрушить его и привести к потере устройства. Сбивать устройство на забой колонной бурильных труб нельзя, т.к. может произойти повреждение (разрушение) герметичного баллона и подрыв порохового заряда, а извлечь незакрепленное оборудование из скважины невозможно;

- невозможность ориентирования устройства в проектном направлении, т.к. в вертикальных участках скважины дисбалансированный хвостовик находится по оси скважины и не влияет на направление отклоняющего желоба, в наклонных или горизонтальных участках устройство не может принять расчетное положение из-за своей большой длины, т.к. центр тяжести таких устройств находится примерно на 1/3 от их нижнего конца, а силы, приведенные выше, намного превосходят тангенциальные усилия дисбалансированного хвостовика, которые должны поворачивать устройство вокруг оси относительно нижней стенки скважины.

Известен гидравлический отклонитель (пат. RU 2311522, МПК Е21В 7/08, оп. 27.11.07 г., бюл. № 33), содержащий клин-отклонитель с наклонной рабочей поверхностью, режущий инструмент, закрепленный на клине срезным болтом, шланг высокого давления для гидравлической связи режущего инструмента с узлом опоры (гидравлическим пакером).

Известное устройство не обеспечивает надежного закрепления его в скважине, особенно в открытом стволе, так как площадь плашек нельзя увеличивать до бесконечности, что конструктивно не оправдано, а их выход в рабочее положение ограничен, вследствие этого не будет достигнуто достаточное сцепление плашек со стенкой скважины и клин-отклонитель под действием осевых нагрузок будет смещаться с места установки, что может привести к тяжелой аварии и даже к потере основного ствола скважины. Резиновые пакерующие элементы хорошо герметизируют зазор между отклонителем и стенкой скважины, но из-за своей эластичности не выдерживают осевых и тангенциальных нагрузок, возникающих при работе режущего инструмента и осевых ударных нагрузок при спуско-подъемных операциях бурильного инструмента и хвостовика при креплении бокового ствола. Другим недостатком гидравлического отклонителя является конструкция отсоединительного устройства со срезным болтом, который выполнен сплошным и воспринимает на себе вес клина-отклонителя и все осевые и тангенциальные нагрузки, возникающие в процессе спуска, ориентирования и установки отклонителя. После установки клина-отклонителя в расчетном интервале необходимо разрушить срезной болт осевой нагрузкой, созданной весом колонны бурильных труб. В вертикальных скважинах, когда клин-отклонитель устанавливается на большой глубине, такая конструкция срабатывает, но с появлением необходимости забуривания боковых стволов на возвратные горизонты с малым радиусом кривизны и строительства скважин сложной архитектуры, когда дополнительные стволы необходимо забуривать на небольшой глубине, или из горизонтального участка наклонно направленных скважин, имеющих перегибы ствола, то отсоединительное устройство представленной конструкции не срабатывает, т.к. веса колонны бурильных труб может не хватить для разрушения срезного болта, а в горизонтальных участках силы трения препятствуют полной передаче осевой нагрузки на срезной болт. При доставке клина-отклонителя в интервал установки в местах резкого перегиба ствола скважины возникают большие осевые нагрузки, которые могут привести к преждевременному разрушению срезного болта. В горизонтальных участках, когда клин-отклонитель движется по нижней стенке скважины и собирает впереди себя буровой шлам, также возрастают осевые нагрузки на срезной болт, способные привести к его преждевременному разрушению. При ориентировании клина-отклонителя по азимуту в горизонтальных участках скважины, когда он лежит на нижней стенке скважины, возникают большие тангенциальные нагрузки, которые также могут привести к разрушению срезного болта и, как следствие, невозможности установки клина-отклонителя и даже к потере ствола скважины из-за невозможности его извлечения. Аварийные ситуации, перечисленные выше, ведут к увеличению сроков строительства скважин и их стоимости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для забуривания боковых стволов из скважины (пат. RU 2366793, МПК 7 Е21В 7/08, оп. 10.09.09 г., бюл. № 25), включающее отклоняющий клин с закрепляющим механизмом в виде гофрированной трубы, один конец которой заглушен, между которыми размещен переводник, подвижное соединение между переводником и клином, узел фиксации отклоняющего клина, установленный в переводнике и выполненный в виде фиксирующего приспособления и поршня со штоком, размещенных в гидроцилиндре, полость которого сообщена с полостью гофрированной трубы, при этом верхняя часть штока установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина со стороны его направляющей плоскости, режущий инструмент, прикрепленный к верхней части отклоняющего клина посредством срезного болта, канал для подачи жидкости, связывающий полость бурильных труб и полость режущего инструмента с полостью гофрированной трубы, причем канал для подачи жидкости выполнен в виде подающей трубки, а нижняя часть клина со стороны его направляющей поверхности выполнена в виде клинового выступа, направленного вниз, со скошенной плоскостью, обращенной противоположно направляющей поверхности клина, при этом верхняя часть штока выполнена в виде бокового среза, выполненного с возможностью взаимодействия со скошенной плоскостью клина, между которыми размещено фиксирующее приспособление.

Недостатком известного устройства является узкая область применения, связанная с невозможностью использования отсоединительного устройства в виде срезного болта в скважинах со сложным профилем ствола, а также в горизонтальных участках многозабойных скважин при строительстве разветвленно-горизонтальных скважин из-за того, что при натяжении бурильной колонны она стремится принять прямолинейное положение и заклинивается на перегибах ствола скважины за счет утолщений в замковых соединениях, не позволяя контролировать величину осевой нагрузки, приходящейся на срезной болт и приводящей к невозможности отсоединения режущего инструмента от клина.

Техническими задачами настоящего изобретения являются:

- увеличение области применения устройства за счет возможности использования его в скважинах со сложным профилем;

- увеличение надежности работы устройства в горизонтальных участках наклонно направленных и многозабойных скважин из-за отсоединения режущего инструмента от клина разрушением срезного болта при помощи взрыва, снижения вероятности аварийных ситуаций за счет дублирования способов отсоединения режущего инструмента, благодаря оснащению срезного болта наружной кольцевой проточкой, расположенной ниже отклоняющей поверхности клина, что в совокупности позволит сократить сроки и снизить стоимость строительства скважин сложной архитектуры, в том числе и разветвленно-горизонтальных.

Техническая задача решается устройством для забуривания боковых стволов из скважины, включающим отклоняющий клин с гидравлическим закрепляющим механизмом, между которыми размещен переводник, подвижное соединение между переводником и клином, узел фиксации отклоняющего клина, установленный в переводнике и выполненный в виде фиксирующего приспособления и поршня со штоком, размещенных в гидроцилиндре, полость которого сообщена с полостью закрепляющего механизма, при этом верхняя часть штока установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина со стороны его направляющей плоскости, режущий инструмент, прикрепленный к верхней части отклоняющего клина посредством срезного болта, подающую трубку для подачи жидкости, связывающую полость бурильных труб и полость режущего инструмента с полостью закрепляющего механизма, причем нижняя часть клина со стороны его направляющей поверхности выполнена в виде клинового выступа, направленного вниз, со скошенной плоскостью, обращенной противоположно направляющей поверхности клина, при этом верхняя часть штока выполнена в виде бокового среза, выполненного с возможностью взаимодействия со скошенной плоскостью клина, между которыми размещено фиксирующее приспособление.

Новым является то, что срезной болт оснащен наружной кольцевой проточкой, расположенной ниже отклоняющей поверхности клина, и внутренней заглушенной полостью, заполненной взрывчатым веществом с взрывателем, а поршень узла фиксации снабжен элементом электрического питания и зафиксирован в транспортном положении замковым элементом, открывающимся при давлении, превышающем давление установки в скважине закрепляющего механизма, причем один из выводов взрывателя соединен кабелем с одним из полюсов элемента питания, а другой - с контактом на внутренней поверхности гидроцилиндра узла фиксации, при этом второй полюс элемента питания соединен с подпружиненным контактом, расположенным на наружной поверхности поршня и выполненным с возможностью взаимодействия с контактом гидроцилиндра при перемещении поршня в гидроцилиндре в сторону клина.

На фиг.1 показан общий вид устройства с разрезами, на фиг.2 - вид А - узел соединения режущего инструмента с клином и отсоединительное устройство в транспортном положении, на фиг.3 - вид Б - поршень узла отклонения и фиксации отклоняющего клина с элементом электрического питания, установленного в нем и подвижным контактом, на фиг.4 - разрез В-В - расположение кабелей в теле клина.

Устройство состоит из отклоняющего клина 1 (фиг.1), переводника 2, гидравлического закрепляющего механизма 3, выполненного, например, в виде профильной трубы, гидравлического якоря или пакера (см. патенты RU 2166058, RU 2164282, US 5113938, US 5816324), подвижного шарнирного соединения между клином 1 и переводником 2 с осью 4. Выше клина 1 установлены: режущий инструмент 5 в виде компоновки фрез, перепускной клапан, трубный фильтр, связанные с бурильными трубами (на фиг.1 не показаны), соединенные механически с клином 1 при помощи отсоединительного устройства в виде срезного болта 6. Для подачи жидкости из бурильных труб через режущий инструмент 5, переводник 2 в полость гидравлического закрепляющего механизма 3 предназначена трубка высокого давления 7. Направляющий желоб клина 1 состоит из двух отклоняющих поверхностей: верхней 8 и основной 9 (фиг.1 и 2). В переводнике 2 установлен узел фиксации отклоняющего клина 1 (фиг.3), выполненный в виде фиксирующего приспособления 10 и поршня 11 со штоком 12, размещенных в гидроцилиндре 13, полость которого сообщена с полостью закрепляющего механизма 3, при этом верхняя часть штока 12 установлена с возможностью взаимодействия с нижней частью клина 1 со стороны его направляющей поверхности 9, причем нижняя часть клина 1 со стороны его направляющей поверхности 9 выполнена в виде клинового выступа 14, направленного вниз, со скошенной плоскостью 15, обращенной противоположно направляющей поверхности 9 клина 1, при этом верхняя часть штока 12 выполнена в виде бокового среза 16, выполненного с возможностью взаимодействия со скошенной плоскостью 15 клина 1, между которыми размещено фиксирующее приспособление 10 в виде насечек (аналогично патенту RU 2366793).

Срезной болт 6 оснащен наружной кольцевой проточкой 17 (фиг.2), расположенной ниже отклоняющей поверхности 8 клина 1, и внутренней заглушенной полостью 18, заполненной взрывчатым веществом 19 с взрывателем 20, а поршень 11 узла фиксации снабжен элементом электрического питания 21 и зафиксирован в транспортном положении замковым элементом 22, открывающимся при давлении, превышающем давление установки в скважине закрепляющего механизма 3, причем один из выводов взрывателя 20 соединен кабелем 23 с одним из полюсов элемента питания 21, а другой - с контактом 24 на внутренней поверхности гидроцилиндра 13 узла фиксации, при этом второй полюс элемента питания 21 соединен с подпружиненным контактом 25, расположенным на наружной поверхности поршня 11 и выполненным с возможностью взаимодействия с контактом 24 гидроцилиндра 13 при перемещении поршня 11 в гидроцилиндре 13 в сторону клина 1.

Технические соединительные и уплотнительные элементы для упрощения чертежей и описания на фигурах 1-4 не показаны.

Устройство работает следующим образом.

В заводских условиях соединяют клин 1 (фиг.1) с режущим инструментом 5 (фрезой оконной) при помощи отсоединительного устройства в виде срезного болта 6, который может быть расположен перпендикулярно оси устройства (фиг.1), а также перпендикулярно верхней отклоняющей поверхности 8 (фиг.2). Закрепляют заглушку 26 (фиг.2) с контактами для взрывателя 20 в срезном болте 6, а кабели 23 (фиг.1-4) размещают в теле клина 1 и переводника 2 в специальных промежуточных углублениях 27 и в канале 28 для размещения трубки высокого давления 7 с целью предотвращения возможности их повреждения в процессе спуска устройства в скважину. Другие концы кабелей соединяют с контактами, один 24 (фиг.3) из которых расположен в переводнике 2 на внутренней поверхности гидроцилиндра 13 узла фиксации на подложке из диэлектрического материала, исключающей контакт с телом переводника 2, а другой установлен в крышке 29 поршня 11. Поршень 11 со штоком 12 размещают в гидроцилиндре 13 переводника 2, изолируя зону контактов 24 и 25 от попадания в нее жидкости, при помощи уплотнительных элементов 30 в рабочем положении и проверяют наличие электрического тока на контактах заглушки 26 (фиг.2). Затем возвращают поршень 11 (фиг.3) в транспортное положение и фиксируют замковым элементом 22. Соединяют клин 1 с переводником 2 осью 4 (фиг.1). Нижний конец переводника закрывают заглушкой (на фиг.1 не показана). В таком виде клин готов к хранению и транспортировке.

На мостках буровой установки собирают клиновой отклонитель в следующей последовательности: из переводника 2 извлекают защитную заглушку (на фиг.1 не показана), отвинчивают крышку 29 (фиг.3) поршня 11 и устанавливают элемент электрического питания 21 (например, цилиндрическую батарейку электрического питания). Завинчивают крышку 29, при этом полость поршня, где расположен элемент электрического питания 21, герметизируется (например, силиконом или автомобильным герметиком). Клин 1 (фиг.1) с переводником 2 соединяют с гидравлическим закрепляющим механизмом 3, например, при помощи резьбы (на фиг.1 не показана) или потайных болтов 31, и на элеваторе (на фиг.1 не показан) спускают в скважину. Во внутреннюю полость 18 (фиг.2) срезного болта 6 помещают взрывчатое вещество 19 с взрывателем 20 и завинчивают заглушку 26, при этом контакты взаимодействуют с взрывателем 20, а полость 18 срезного болта 6 герметизируется (например, автомобильным герметиком). К режущему инструменту 5 присоединяют бурильную трубу с установленным в ней трубным фильтром, а над ними - перепускной клапан (на фиг.1 не показаны). Собранную компоновку на колонне бурильных труб спускают в скважину на заданную глубину и ориентируют клиновой отклонитель, например, с помощью инклинометра или гироскопа (на фиг.1 не показаны) в заданном направлении. При спуске через перепускной клапан происходит заполнение полости режущего инструмента 5, бурильных труб и гидравлического закрепляющего механизма 3 рабочей жидкостью, находящейся в скважине, предотвращая их смятие под действием давления столба жидкости. Трубный фильтр задерживает крупные частицы загрязнений, попадающие в полость бурильных труб через перепускной клапан, предотвращая загрязнение трубки высокого давления 7 (фиг.1). Во время спуска, связанного с периодичностью спуска и остановки колонны бурильных труб на клиньях ротора для наращивания бурильных труб, в их полости возникают гидравлические удары, передающиеся через режущий инструмент 5, трубку 7 в полость гидравлического закрепляющего механизма 3 и воздействующие на поршень 11 (фиг.3). С целью исключения преждевременного движения поршня 11 в сторону клина и замыкания контактов 24 и 25, вследствие чего может произойти несанкционированное воспламенение взрывчатого вещества 19 и отсоединение режущего инструмента 5 от клина 1, установлен замковый элемент 22 (например, срезной винт, стопор, подпружиненная призма и т.п.), который в процессе спуско-подъемных операций удерживает поршень 11 на месте.

Насосом с поверхности земли создают давление рабочей жидкости в полости колонны бурильных труб, которое через режущий инструмент 5 (фиг.1) по трубке высокого давления 7 через переводник 2 передается в гидравлический закрепляющий механизм 3, приводя его в рабочее положение и надежно закрепляя в стволе скважины. Натяжением колонны бурильных труб с расчетным усилием проверяют надежность установки клинового отклонителя. Затем созданием давления, превышающего давление закрепления гидравлического закрепляющего механизма 3, открывают замковый элемент 22 (например, разрушают срезной винт) (фиг.3) и поршень 11 перемещается в гидроцилиндре 13 переводника 2 в сторону клина 1, при этом шток 12 боковым срезом 16 воздействует на скошенную плоскость 15 клинового выступа 14, отклоняет и прижимает верхнюю часть клина 1 к стенке скважины и фиксирует его в таком положении с помощью фиксирующего приспособления 10. Контакт 25, достигая контакта 24, замыкает электрическую сеть, срабатывает взрыватель 20 и происходит воспламенение взрывчатого вещества 19. Под действием взрыва происходит разрушение срезного болта 6 (фиг.2) в зоне наружной кольцевой проточки 17 на границе верхней отклоняющей поверхности 8 клина 1, режущего инструмента 5 и в зоне промывочного канала 32 режущего инструмента 5, открывая дополнительное промывочное отверстие. Снижение веса инструмента, находящегося в скважине, и давления в полости бурильных труб показывает, что произошло отсоединение режущего инструмента 5 от клина 1 (фиг.1). Натяжением колонны бурильных труб разрушают трубку высокого давления 7, открывая промывочное отверстие. При вырезании «окна» и забуривании бокового ствола суммарная площадь этих отверстий обеспечивает прокачивание достаточного объема промывочной жидкости и поддержание скорости восходящего потока, уносящего металлические опилки, частицы цемента и горной породы из зоны вырезания «окна» и забуривания бокового ствола, чего нет в других аналогичных устройствах.

В случае каких-либо осложнений в скважине (например, засорилась полость бурильных труб окалиной или упавшим металлическим предметом) и невозможности отсоединения режущего инструмента 5 от клина 1 описанным способом, отсоединение производят разрушением срезного болта 6 по наружной кольцевой проточке 17 натяжением колонны бурильных труб с расчетным усилием, не превосходящим грузоподъемность буровой установки. Затем придают вращение колонне бурильных труб, восстанавливают циркуляцию промывочной жидкости из скважины и производят вырезание «окна» в стенке обсадной колонны движением режущего инструмента 5 по отклоняющей поверхности 8, а затем - 9 клина 1. Вследствие того, что срезной болт 6 разрушается взрывом и на отклоняющей поверхности 8 клина 1 не остается никаких его частей, которые необходимо было бы расфрезеровать, сохраняются режущие элементы режущего инструмента 5, что способствует ускорению процесса вырезания «окна» в стенке обсадной колонны и забуривания бокового ствола.

В совокупности все это позволяет увеличить области применения предлагаемого устройства за счет возможности использования в скважинах со сложным профилем и увеличения надежности его работы в горизонтальных участках наклонно направленных и многозабойных скважин из-за отсоединения режущего инструмента от клина разрушением срезного болта при помощи взрыва, снижения вероятности аварийных ситуаций за счет дублирования способов отсоединения режущего инструмента, благодаря оснащению срезного болта наружной кольцевой проточкой, расположенной ниже отклоняющей поверхности клина, что в совокупности позволит сократить сроки и снизить стоимость строительства скважин сложной архитектуры, в том числе и разветвленно-горизонтальных.