Отклоняющее устройство

 

Изобретение относится к области бурения нефтегазовых скважин, в частности к отклоняющим устройствам для бурения направленных скважин из основного ствола скважины. Изобретение обеспечивает повышение надежности в работе устройства. Отклоняющее устройство имеет опору с плашкой, выполненной с внешней стороны с рельефом, а в теле плашки с внутренней стороны выполнен паз, шпилька скрепляет опору с клином. Клин выполнен монолитным и включает распорную и отклоняющую части, на поверхности распорной части клина выполнена направляющая в форме Т-образного выступа, соединяющего клин с плашкой, на оси опоры расположена за плашкой шпилька, отклоняющая часть клина имеет две рабочие поверхности: одну с резьбовой нарезкой, другую в виде желоба, наклон которого в оси клина в верхней части отклоняющей части клина составляет 1,5 - 2°, в верхней отклоняющей части клина выполнено отверстие с резьбой под болт, удерживающий клин на подвеске или райбере, и выступ вокруг отверстия с расчетной толщиной, обеспечивающей соосность клина и подвески (райбера), плашка с внешней стороны выполнена в форме правильных 4-гранных пирамид, а с внутренней стороны в теле плашки выполнен Т-образный паз, соответствующий Т-образному выступу на направляющей распорной части клина. 4 ил.

Изобретение относится к оборудованию для нефтедобывающей промышленности. Оно может быть использовано для отклонения от оси основного ствола скважины: райбера - при зарезке "окна" в эксплуатационной колонке и инструмента - при бурении второго ствола, а также для придания клину-отклонителю транспортного состояния в случае непредвиденного раскрытия его при транспортировке на забой.

Известен отклонитель, включающий переводник, спускной клин, корпус и подпружиненные выдвижные элементы, установленные с возможностью взаимодействия с распорными конусами (1). Недостаток конструкции заключается в том, что установленная между распорными конусами пружина, удерживающая узел захвата в рабочем положении, не способна преодолеть возникающие в процессе загрузки радиально-осевые и крутящие усилия, вследствие чего нарушается жесткое закрепление отклонителя в скважине. К тому же, в случае непредвиденного раскрытия клина при транспортировке отклонителя на забой, отклонитель не способен осуществлять процесс восстановления клина в транспортное состояние.

Известен также клиновой отклонитель (2), содержащий корпус и рабочую накладку, которая выполнена из менее твердого материала по сравнению с материалом корпуса. Недостатком отклонителя является то, что использование менее мягкого материала приводит к вязкому трению в момент контакта клина с райбером, что в свою очередь приводит к снижению скорости движения зарезного инструмента и к дальнейшему "замасливанию" поверхности его продуктами срезания рабочей накладки, что в свою очередь способствует снижению режущей способности инструмента (райбера) и, таким образом, снижению надежности отклонителя в работе.

Известно устройство (3) для зарезания второго ствола обсаженной буровой скважины. Недостатками устройства являются: незащищенность устройства от незапланированного расклинивания отклонителя в момент опускания отклонителя в скважину на забой, что может привести к заклиниванию устройства в скважине и прекращению работ по зарезанию второго ствола обсаженной буровой скважины; закрепляющий механизм клина-отклонителя сложен и ненадежен в работе, так как распорные клиновые плашки не способны обеспечить прочное сцепление со скважиной, тем более, если произойдет проворачивание, смещение элементов компоновки относительно друг друга, к тому же поверхность контакта плашки со скважиной рассчитана на наличие строго цилиндрической поверхности скважины из твердых пород, а наличие собачки не гарантирует 100% попадания в зазор между трубами, что приводит к нарушению интервала установки и зазор при этом заполняется шламом.

В качестве прототипа выбрано отклоняющее устройство (4) для бурения скважин и прорезания "окон" в обсадной колонне, как наиболее близкое по технической сущности и положительному эффекту к предлагаемому техническому решению. Известное отклоняющее устройство для бурения скважин и прорезания окон в обсадной колонне содержит клин-отклонитель, выполненный в виде единого целого монолитного элемента, который имеет отклоняющую часть с наклонной поверхностью в виде желоба и распорную часть, на которой выполнена направляющая в виде Т-образного выступа, связанную с распорной частью опору, в которой размещена плашка, имеющая на внешней выпуклой поверхности рельеф, а на внутренней поверхности паз, соответствующий Т-образному выступу на распорной части клина-отклонителя, в верхней части отклоняющей части клина-отклонителя выполнено отверстие с резьбой под болт, удерживающий клин-отклонитель на подвеске.

Недостатками известного устройства являются: - ненадежность установки системы на этапах прохождения устройства до глубины, где намечено прорезание "окна" в обсадной колонне из-за возможного незапланированного преждевременного срезания винтов, крепящих в плашкодержателе нижнюю часть клина отклоняющего и срезных болтов, соединяющих спускной клин с отклоняющим клином, срезных болтов, соединяющих пробку с клином отклоняющим; - в случае незапланированного, преждевременного срезания болтов и винтов устройство неработоспособно, так как лишено возможности придания клину транспортного состояния; - многоэлементность; - наличие специального покрытия для лучшего сцепления дорогостоящим материалом; - сложность конструкции и взаимосвязи элементов; - усиление прижима плашки и клина пробкой со стороны, противоположной расположению верхней части клина, не гарантирует плотное прилегание к стенке обсадной колонны верхней части клина; - наличие пробки и ее эффект закрепления клина в обсадной колонне рассчитаны на наличие строго цилиндрической поверхности скважины из твердых пород и не гарантирует, что при установке устройства зазор между пробкой и плашкодержателем не заполнится шламом и не заклинит эту часть, что приведет к остановке клина-отклонителя, его вхождение в плашкодержатель и не сработает система выдвижения плашки и ее закрепления в стенке скважины; - насечка на поверхности плашки и шероховатость на плашкодержателе не гарантируют плотной посадки устройства на забой при нецилиндрической поверхности скважины, а шероховатость плашкодержателя способствует заполнению шламом зазора между ним и стенкой скважины.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции отклонителя с одновременным повышением надежности ее транспортировки на забой и в работе, а также возможность придания клину транспортного состояния в случае непредвиденного раскрытия его при транспортировке на забой.

Отклоняющее устройство для бурения скважин и прорезания окон в обсадной колонне, содержащее клин-отклонитель, выполненный в виде единого целого монолитного элемента, который имеет отклоняющую часть с наклонной поверхностью в виде желоба и распорную часть, на которой выполнена направляющая в виде Т-образного выступа, связанную с распорной частью опору, в котором размещена плашка, имеющая на внешней выпуклой поверхности рельеф, а на внутренней поверхности - паз, соответствующий Т-образному выступу на распорной части клина-отклонителя, в верхней части отклоняющей части клина-отклонителя выполнено отверстие с резьбой под болт, удерживающий клин-отклонитель на подвеске, отклоняющая часть клина-отклонителя содержит две рабочие поверхности, одна из которых, выполненная в виде желоба, имеет угол наклона к оси клина 1,5-2^o, а на противоположной желобу второй рабочей поверхности выполнена резьбовая нарезка, при этом распорная часть клина-отклонителя соединена с опорой срезной шпилькой, размещенной на оси опоры под плашкой, рельеф внешней выпуклой поверхности которой выполнен в виде правильных 4-гранных пирамид, а на отклоняющей части клина-отклонителя в месте его соединения с подвеской выполнен выступ для соосности клина-отклонителя и подвески.

Изобретение промышленно применимо и поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлено устройство;
на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - рабочая поверхность плашки;
на фиг. 4 - плашка с Т-образным пазом.

Отклоняющее устройство содержит опору (хвостовик) 1, клин-отклонитель, имеющий распорную 2 и отклоняющую часть 3 единого целого, в свою очередь опора 1 содержит в корпусе плашку 4, на внешней выпуклой поверхности которой выполнен рельеф в виде правильных 4-гранных пирамид 5, а с внутренней стороны в теле плашки 4 имеется Т-образный паз 6. На оси корпуса опоры 1 под плашкой расположена шпилька 7, соединяющая опору 1 с клином в его распорной части 2. Клин-отклонитель представлен в виде единого монолитного элемента. Распорная часть клина 2 со стороны плашки 4 направляющую - вкладыш 8, выполненную в виде Т-образного выступа, соответствующего Т-образному пазу 6 в теле плашки 4. Отклоняющая часть 3 клина содержит две рабочие поверхности: одну с наклоном к оси клина под углом 1,5 - 2^o, которая выполнена в виде наклонного желоба 9 с радиусом, соответствующим радиусу режущего инструмента, другая рабочая поверхность выполнена с резьбовой нарезкой 10. Верхняя часть отклоняющей части 3 клина содержит отверстие с резьбой 11 и болт 12 для закрепления подвески или райбера 13. Вокруг отверстия 11 имеется выступ 14, соединенный с клином сваркой.Толщина выступа выполнена с расчетом обеспечения соосности подвески и клина.

Клиновой отклонитель работает следующим образом.

Отклонитель на колонне бурильных труб (не показано) спускают в скважину на забой. Производят разгрузку бурильной колонны (пример Р = 2 т). В процессе разгрузки происходит срезание шпильки 7. Затем клин-отклонитель своей распорной частью 2 входит в опору 1, при этом плашка 4, скользя по направляющей 8 за счет наличия паза 6 в ней, совершает перпендикулярное оси клина движение и своей поверхностью 5 в виде 4-гранных пирамид правильной формы врезается в стенку обсадной колонны (не показано), создавая опору для клина-отклонителя, прижимает клин 3 к стенке скважины со стороны, противоположной желобу, резьбовой поверхностью 10. Далее разгружают колонну бурильных труб (не показано) и происходит срез болта 12 в заданной плоскости, размещенного в отверстии 11. Клин-отклонитель в отклоняющей части 3 рассоединяется от подвески или райбера 13. Выступ 14 до рассоединения клина (в целом 12 и 3) с райбером или подвеской осуществляет соосность элементов 2, 3 и 13. Райбер 13 или подвеска перемещается по желобу 9 вниз, создавая перпендикулярное оси клина усилие в момент фрезерования стенки обсадной колонны. Процесс транспортировки отклонителя на забой в скважину, исключительно редко при данной конструкции и часто - в известных, может сопровождаться раскрытием клина в незапланированном месте и в незапланированное время, создается ситуация, при которой срывается процесс бурения и значительно усложняется работа по извлечению отклонителя из скважины. Предлагаемая конструкция клинового отклонителя предусматривает простой вариант возвращения клина на поверхность и возвращение его вновь в транспортное положение. Для этого на клине в отклоняющей части поверхность выполнена в виде резьбы 10. Навинчивая специальный ловильный инструмент (колокол), удается без больших усилий выдернуть клин на поверхность и вновь закрепить на подвеске, придать вновь ему транспортное состояние после замены шпильки 7 и болта 12.

Предлагаемая конструкция отклоняющего устройства по сравнению с прототипом имеет клин-отклонитель с рабочими поверхностями - одна в виде желоба 9, выполненного в верхней части с наклоном к оси клина под углом 1,5-2^o, и другая - выполненная в виде резьбы 10. Такое решение упрощает по сравнению с прототипом конструкцию и значительно. Исчезла необходимость закреплять на клине-отклонителе клин спусковой и пробку, а также применять срезные болты и втулки, скрепляющие эти элементы, при этом одновременно повысилась надежность более плотного прилегания клина к стенке скважины как в верхней, так и в нижней части его. Реализация в отклонителе угла 1,5-2^o вместо 3^o (в прототипе) позволяет использовать более жесткие компоновки и осуществлять более мягкое прохождение через интервал за счет возможного увеличения длины желобной части клина. При большем чем 2^o угле ограничивается возможность мягкого прохождения интервала, так как клин получается более коротким и нет возможности использовать жесткие компоновки из-за больших напряжений в зоне изгиба клина. Наличие пробки (прототип) увеличивает это ограничение. При меньшем чем 1,5^o угле появляются трудности его исполнения и появляется неустойчивость в работе из-за недостаточной прочности отклоняющего устройства, в частности клина. Экспериментально и теоретически был определен угол 1,5-2^o как оптимальный и реализован в изделии, опробован в эксплуатационных условиях. В предлагаемом изобретении клин отклоняющий соединен срезным болтом 12 с подвеской или райбером 13 и срезной шпилькой 7 с корпусом опоры 1, что снижает напряжение изгиба, сдвига в процессе работы отклоняющего устройства и гарантирует повышенную надежность конструкции, гарантирует, что в процессе погружения отклоняющего устройства в скважину не произойдет назапланированное раскрытие клина, что грозит (в случае прототипа) срывом процесса бурения. Предлагаемое изобретение дает 100% гарантию того, что срыва процесса бурения не может произойти и потому, что в клине в отклоняющей части поверхность, противоположная желобной, выполнена в виде резьбы 10, Навинчивая специальный ловильный инструмент (колокол), удается без больших усилий выдернуть клин на поверхность и вновь закрепить на подвеске, придать вновь ему транспортное состояние после замены срезной шпильки 7 и болта 12. Предлагаемое изобретение обеспечивает более высокую надежность сцепления контактной поверхности плашки со скважиной по сравнению с прототипом за счет точечного контакта, вместо ребра (в прототипе), а грани правильной 4-гранной пирамиды служат гарантом, обеспечивающим жесткость сцепления, и предотвращают возможность перемещения клина в незапланированном направлении. Предлагаемое изобретение при выполнении опоры с гладкой поверхностью и выполнении рельефа поверхности в виде зубьев в форме 4-гранных правильных пирамид упрощает конструкцию и одновременно повышает надежность ее работы как при спуске в скважину, так и при эксплуатации на забое.

Предлагаемое отклоняющее устройство имеет следующие преимущества:
- устройство надежно работает как на этапах прохождения его до глубины, где намечено прорезание "окна" в обсадной колонне за счет отсутствия срезных болтов и элементов, скрепляющихся этими болтами, и за счет наличия срезной шпильки в оптимальном месте закрепления - на оси клина и за плашкой (в прототипе винты, скрепляющие опору и клин, расположены под плашкой в нижней опасной зоне закрепления);
- устройство просто в исполнении и надежно в эксплуатации;
- устройство в случае непредвиденного преждевременного срезания технического болта и срезной шпильки (что маловероятно) работоспособно за счет наличия резьбы на противоположной желобу поверхности в отклоняющей части клина;
- цилиндрическая поверхность опоры выполнена гладкой и отсутствует пробка на клине, что обеспечивает более надежное прохождение компоновки устройства без больших усилий до установленного технологического уровня в скважине и обеспечивает отсутствие шлама в зазоре между опорой и клином со стенками скважины;
- устройство обеспечивает более надежное прилегание верхней части клина-отклонителя, чем в прототипе, за счет более надежного сцепления плашки со стенками скважины из любых пород и за счет резьбы, выполненной на клине с противоположной желобу стороны.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1089224, E 24 B 7/08, 15.12.81.

2. Авторское свидетельство СССР N 262040, E 21 B 7/08, 17.03.69.

3. Авторское свидетельство СССР N 180540, E 21 B 7/06, 30.04.84.

4. Авторское свидетельство СССР N 2069732, E 21 B 7/08, 27.11.96.

Формула изобретения

Отклоняющее устройство для бурения скважин и прорезания окон в обсадной колонне, содержащее клин-отклонитель, выполненный в виде единого целого монолитного элемента, который имеет отклоняющую часть с наклонной поверхностью в виде желоба и распорную часть, на которой выполнена направляющая в виде Т-образного выступа, связанную с распорной частью опору, в которой размещена плашка, имеющая на внешней выпуклой поверхности рельеф, а на внутренней поверхности паз, соответствующий Т-образному выступу на распорной части клина-отклонителя, в верхней части отклоняющей части клина-отклонителя выполнено отверстие с резьбой под болт, удерживающий клин-отклонитель на подвеске, отличающееся тем, что отклоняющая часть клина-отклонителя содержит две рабочие поверхности, одна из которых, выполненная в виде желоба, имеет угол наклона к оси клина 1,5 - 2^o, а на противоположной желобу второй рабочей поверхности выполнена резьбовая нарезка, при этом распорная часть клина-отклонителя соединена с опорой срезной шпилькой, размещенной на оси опоры под плашкой, рельеф внешней выпуклой поверхности которой выполнен в виде правильных 4-гранных пирамид, а на отклоняющей части клина-отклонителя в месте его соединения с подвеской выполнен выступ соосности клина-отклонителя и подвески.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4