Результат интеллектуальной деятельности: КОМПОНОВКА ДЛЯ ПРОРЕЗКИ И ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛНОРАЗМЕРНОГО БОКОВОГО "ОКНА" В ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ СКВАЖИНЫ ЗА ОДИН РЕЙС БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА, УЗЕЛ ПОДВЕСКИ ОТКЛОНЯЮЩЕГО КЛИНА

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно - к прорезке боковых «окон» в обсадной колонне скважины для дальнейшего бурения вторых стволов.

По авторскому свидетельству СССР №870672 по М. Кл.³ Е21В 29/06, заявлено 31.01.1980 г., опубликовано 07.10.1981 г.в БИ №37 известно изобретение «Устройство для прорезания «окна» в обсадной колонне», которое принимаем за аналог. Устройство по аналогу содержит направляющую трубу, верхний конец которой резьбой 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.

Основным недостатком устройства по аналогу является то, что для прорезания «окна» в обсадной колонне таким устройством необходимо предварительно установить в скважине отклоняющий клин, это требует произвести дополнительный спуско-подъем бурильного инструмента, что увеличивает непроизводительное время. Кроме того, устройство по аналогу не обеспечивает в полной мере передачу крутящего момента от бурильной колонны к райберу из-за того, что конусное соединение при работе забивается продуктами бурения, снижая надежность работы.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому изобретению по совокупности сходных существенных признаков из числа известных технических решений того же назначения принимаем устройство по изобретению США - патент №5109924 от 5 мая 1992 г., МПК⁵ Е21В 7/08; Е21В 29/06.

Устройство по прототипу представляет собой соединяемую с колонной бурильных труб компоновку фрезер-райберов, на которой производят спуск отклоняющего клина, его ориентированную установку в стволе скважины, прорезку и формирование полноразмерного бокового «окна» в обсадной колонне скважины за один рейс бурильного инструмента.

Компоновка по прототипу включает в себя зарезной, проходной и калибрующий фрезер-райберы, которые выполнены в виде отрезков полых валов разной длины с металлоразрушающими элементами по наружной поверхности. За пределами металлоразрушающих элементов отрезки полых валов у проходного и калибрующего фрезер-райберов выполнены удлиненными. Отрезки полых валов с фрезер-райберами соединены между собой на резьбе. Верхний конец полого вала калибрующего фрезер-райбера соединен резьбой с колонной бурильных труб.

Устройство по прототипу содержит также узел подвески отклоняющего клина на срезных болтах-штифтах. Для крепления и подвески отклоняющего клина на участке между зарезным и проходным фрезер-райберами в боковой поверхности полого вала выполнены радиальные резьбовые отверстия под срезные болты-штифты.

Отклоняющий клин, соединенный с компоновкой фрезер-райберов по прототипу, опускают в скважину и ориентируют его. Затем путем создания осевого усилия на колонну бурильных труб производят срезание болтов-штифтов, отсоединяя отклоняющий клин. После чего производят прорезку обсадной колонны и формирование полноразмерного бокового «окна» в обсадной колонне скважины путем придания вращения колонне бурильных труб.

Однако устройство по прототипу не обладает достаточной эксплуатационной надежностью в работе из-за наличия большого количества резьбовых соединений, которыми все фрезер-райберы соединены между собой в единую компоновку. Из практики эксплуатации таких устройств известно, что каждое резьбовое соединение является потенциальным источником возможных осложнений.

Кроме того, установка срезных болтов-штифтов в узле подвески отклоняющего клина в устройстве по прототипу требует подгонки срезных болтов-штифтов по их длине при подвеске отклоняющего клина к боковой поверхности полого вала между зарезным и проходным фрезер-райберами, что усложняет процесс монтажа устройства.

Вместе с тем при работе устройства по прототипу затруднено его отсоединение от отклоняющего клина и затруднен выход на прорезание обсадной колонны зарезным фрезер-райбером из-за заклинивания элементов узла подвески отклоняющего клина между зарезным и проходным фрезер-райберами.

Недостатком устройства по прототипу является еще и то, что после одного рейса по прорезке бокового «окна» в обсадной колонне скважины металлоразрушающие элементы на наружной поверхности фрезер-райберов становятся гладкими, не пригодными для последующей работы. Фрезер-райберы необходимо или менять на новые, что увеличивает материальные затраты, или производить восстановление металлоразрушающих элементов.

Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении предлагаемой группы изобретений, является:

- повышение эксплуатационной надежности работы компоновки и сокращение времени прорезки полноразмерного бокового «окна»;

- облегчение процесса сборки отклоняющего клина с компоновкой;

- обеспечение требуемого усилия срезания болтов-штифтов при отсоединении отклоняющего клина;

- облегчение зарезки бокового «окна» в обсадной колонне скважины зарезным фрезер-райбером;

- обеспечение возможности восстановления износившихся металлоразрушающих элементов на наружных поверхностях фрезер-райберов для последующего их неоднократного использования.

Указанный технический результат достигается тем, что компоновка для прорезки и формирования полноразмерного бокового «окна» в обсадной колонне скважины за один рейс бурильного инструмента, включающая соединенные с колонной бурильных труб, по меньшей мере, зарезной, проходной и калибрующий фрезер-райберы с металлоразрушающими элементами на их наружной поверхности и отклоняющий клин с узлом его подвески на срезных болтах-штифтах, согласно предлагаемому изобретению содержит новое конструктивное выполнение элементов компоновки, новое взаимное расположение и форму выполнения элементов, новую форму выполнения связи между элементами и иной материал, из которого они выполнены, а именно: все фрезер-райберы жестко закреплены на едином полом валу, который верхним концом жестко соединен на резьбе с колонной бурильных труб, на нижнем конце единого полого вала жестко закреплен зарезной фрезер-райбер, а проходной и калибрующий фрезеры-райберы жестко закреплены на наружной поверхности единого полого вала ниже его присоединительной резьбы с колонной бурильных труб на расстоянии друг от друга, определяемом функциональными параметрами «окна».

А также тем, что:

- зарезной и проходной фрезер-райберы выполнены, например, в виде единого корпуса, ступенчатого по наружной поверхности, жестко закрепленного на нижнем конце единого полого вала, при этом зарезной фрезер-райбер выполнен с меньшим наружным диаметром, чем проходной;

- фрезер-райберы закреплены на едином полом валу соосно-эксцентрично;

- единый полый вал выполнен из металла с более высокими упругими и прочностными свойствами, чем металл бурильных труб.

Указанный технический результат совокупно достигается также и тем, что узел подвески отклоняющего клина, включающий срезные болты-штифты и выполненные под них сквозные отверстия в верхнем конце отклоняющего клина и радиальные резьбовые отверстия в компоновке фрезер-райберов, согласно предлагаемому изобретению содержит новые конструктивные элементы, некоторые элементы имеют новую форму их выполнения и взаимного расположения, а именно: срезные болты-штифты выполнены с калиброванными под расчетное усилие среза внутренними осевыми каналами на глубину, перекрывающую линию среза, радиальные резьбовые отверстия под срезные болты-штифты выполнены в боковой поверхности зарезного фрезер-райбера, кроме того, в узле подвески дополнительно выполнены элемент продольного ориентирования отклоняющего клина и ограничитель хода компоновки фрезер-райберов вниз после срезания болтов-штифтов.

А также тем, что:

- элемент продольного ориентирования отклоняющего клина выполнен в виде продольного паза, углубленного в боковой поверхности зарезного фрезер-райбера в створе радиальных резьбовых отверстий под срезные болты-штифты, и ответного указанному пазу выступа на сопрягаемой поверхности верхнего конца отклоняющего клина;

- ответный выступ на сопрягаемой поверхности верхнего конца отклоняющего клина выполнен в виде прикрепляемой накладной планки;

- ограничитель хода компоновки фрезер-райберов вниз после срезания болтов-штифтов выполнен в виде упора-выступа, закрепленного на верхнем конце отклоняющего клина ниже сквозных отверстий под срезные болты-штифты;

- ограничитель хода компоновки фрезер-райберов вниз после срезания болтов-штифтов может быть выполнен в виде поперечной перемычки в вернем конце продольного паза в боковой поверхности зарезного фрезер-райбера над верхним болтом-штифтом;

- расстояние от нижнего торца зарезного фрезер-райбера до упора-выступа на верхнем конце отклоняющего клина, как и расстояние от поперечной перемычки в верхнем конце продольного паза в боковой поверхности зарезного фрезер-райбера до верхнего болта-штифта, выполнены величиной, превышающей диаметр срезного болта-штифта.

Указанный технический результат достигается еще и тем, что в качестве металла для изготовления фрезер-райберов в заявляемом изобретении предлагается применять металл, позволяющий неоднократное восстановление рабочих металлоразрушающих элементов на наружной поверхности фрезер-райберов путем газовой наплавки.

Из общедоступных источников патентной и научно-технической информации нам не известны компоновки для прорезки и формирования полноразмерного бокового «окна» в обсадной колонне скважины за один рейс бурильного инструмента, также не известны узлы подвески отклоняющего клина, которые вместе с известными существенными признаками включали бы в себя указанные выше новые существенные отличительные признаки в указанной группе изобретений. Не известен и металл, из которого согласно заявляемому изобретению предложено изготавливать фрезер-райберы.

Известные и новые отличительные существенные признаки в совокупности обеспечивают предлагаемой группе изобретений достижение нового единого технического результата.

Так, благодаря жесткому закреплению всех фрезер-райберов на едином полом валу в заявляемой компоновке исключены резьбовые соединения между каждым фрезер-райбером, как в прототипе, что повышает эксплуатационную надежность работы компоновки, которую обеспечивает также выполнение единого полого вала из металла с более высокими упругими и прочностными свойствами, чем металл бурильных труб. Жесткое закрепление фрезер-райберов на едином полом валу на расстоянии друг от друга, определяемом функциональными параметрами «окна», обеспечивает формирование его требуемых размеров при работе компоновки, сокращая при этом время прорезки «окна».

Закрепление фрезер-райберов на едином полом валу соосно-эксцентрично сокращает время прорезки бокового «окна» в обсадной колонне.

Выполнение срезных болтов-штифтов в предлагаемом узле подвески отклоняющего клина с калиброванными под расчетное усилие среза внутренними осевыми каналами на соответствующую глубину обеспечивает гарантированное расчетное усилие среза болтов-штифтов и облегчает процесс сборки отклоняющего клина с компоновкой фрезеров-райберов.

Выполнение радиальных резьбовых отверстий под срезные болты-штифты в боковой поверхности зарезного фрезер-райбера в сочетании с выполнением элемента продольного ориентирования отклоняющего клина и ограничителя хода компоновки вниз после срезания болтов-штифтов обеспечивают при использовании предлагаемого узла подвески отклоняющего клина сокращение времени при начале зарезки бокового «окна» в обсадной колонне скважины зарезным фрезер-райбером.

Применение в предлагаемой группе изобретений в качестве металла для изготовления фрезер-райберов металла из ряда тех, которые позволяют производить неоднократное восстановление рабочих металлоразрушающих элементов на наружной поверхности фрезер-райберов путем газовой наплавки, позволяет сократить материальные затраты на замену новыми использованных фрезер-райберов, которым по предлагаемому изобретению создана возможность восстановления.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид компоновки для прорезки бокового «окна» в обсадной колонне скважины, в которой зарезной, проходной и калибрующий фрезер-райберы закреплены отдельно друг от друга на едином полом валу; на фиг.2 дан общий вид указанной компоновки, в которой зарезной и проходной фрезер-райберы выполнены в виде единого корпуса; на фиг.3 дан общий вид узла подвески отклоняющего клина с ограничителем хода компоновки вниз после срезания болтов-штифтов, в котором ограничитель хода выполнен в виде упора-выступа, закрепленного на верхнем конце отклоняющего клина; на фиг.4 представлен узел подвески отклоняющего клина с ограничителем хода компоновки вниз после срезания болтов-штифтов, в котором ограничитель хода выполнен в виде поперечной перемычки в верхнем конце продольного паза в боковой поверхности зарезного фрезер-райбера; на фиг.5 изображена компоновка с зарезным и проходным фрезер-райбером, выполненным в виде единого корпуса, в момент прорезки бокового «окна» в обсадной колонне скважины; на фиг.6 и 7 изображена компоновка после выхода зарезного фрезер-райбера за пределы прорезанной стенки обсадной колонны.

Компоновка для прорезки и формирования полноразмерного бокового «окна» в обсадной колонне скважины за один рейс бурильного инструмента включает в себя зарезной 1, проходной 2 и калибрующий 3 фрезеры-райберы с металлоразрушающими элементами на их наружной поверхности (на чертеже не показаны) и единый полый вал 4, который верхним концом жестко соединен на резьбе с колонной бурильных труб 5. На нижнем конце единого полого вала 4 жестко закреплен зарезной фрезер-райбер 1. Проходной 2 и калибрующий 3 фрезеры-райберы жестко закреплены на наружной поверхности единого полого вала 4 на расстоянии друг от друга, которое определяется функциональными параметрами прорезаемого окна. Зарезной 1 и проходной 2 фрезер-райберы могут быть выполнены, например, в виде единого корпуса, ступенчатого по наружной поверхности, жестко закрепленного на нижнем конце единого полого вала 4, при этом зарезной фрезер-райбер 1 выполнен с меньшим наружным диаметром, чем проходной фрезер-райбер 2 (фиг.2, 5 и 7). Фрезер-райберы 1, 2 и 3 закреплены на едином полом валу 4 соосно-эксцентрично. При этом единый полый вал 4 выполнен из металла с более высокими упругими и прочностными свойствами, чем металл бурильных труб 5.

Узел подвески отклоняющего клина (фиг.3 и 4) включает в себя срезные болты-штифты 6, в которых выполнены калиброванные под расчетное усилие среза внутренние осевые каналы 7 на глубину, перекрывающую линию среза. В верхнем конце отклоняющего клина 8 под срезные болты-штифты 6 выполнены сквозные отверстия (на чертежах не нумерованы). А в боковой поверхности зарезного фрезер-райбера 1 выполнены радиальные резьбовые отверстия (на чертежах не нумерованы) под срезные болты-штифты 6 для подвески отклоняющего клина 8. В боковой поверхности зарезного фрезер-райбера 1 в створе радиальных резьбовых отверстий выполнен элемент продольного ориентирования отклоняющего клина 8 в виде продольного паза 9, под который в верхнем конце отклоняющего клина 8 выполнен выступ 10, ответный продольному пазу 9. В узле подвески отклоняющего клина 8 выполнен ограничитель хода компоновки фрезер-райберов вниз после срезания болтов-штифтов 6, например, в виде упора-выступа 11, закрепленного на верхнем конце отклоняющего клина 8 ниже его сквозных отверстий, или в виде поперечной перемычки 12 в верхнем конце продольного паза 9 в боковой поверхности зарезного фрезер-райбера 1 над верхним болтом-штифтом 6. При этом расстояние «а» от нижнего торца зарезного фрезер-райбера 1 до упора-выступа 11, также как и расстояние «б» от поперечной перемычки 12 в верхнем конце продольного паза 9 в боковой поверхности зарезного фрезер-райбера 1 до верхнего торца выступа 10 выполнены величиной, превышающей диаметр срезного болта-штифта 6.

Фрезер-райберы 1, 2 и 3 выполнены из металла, позволяющего неоднократное восстановление рабочих металлоразрушающих элементов на наружной поверхности фрезер-райберов путем газовой наплавки.

Для подготовки к работе с учетом необходимых размеров бокового «окна» на едином полом валу 4 жестко закрепляют зарезной 1, проходной 2 и калибрующий 3 фрезер-райберы с соответствующим расстоянием между ними. Верхний конец единого полого вала 4 крепят к колонне бурильных труб 5. К зарезному фрезер-райберу 1 на срезных болтах-штифтах 6 крепят отклоняющий клин 8. Затем компоновку на колонне бурильных труб 5 спускают в скважину и ориентируют ее. После достижения отклоняющим клином 8 заданного интервала весом колонны срезают болты-штифты 6, отсоединяясь от отклоняющего клина 8. Благодаря наличию ограничителей хода компоновки вниз после срезания болтов-штифтов 6 компоновка фрезер-райберов под весом колонны бурильных труб не скользит по отклоняющему клину 8 вниз и не заклинивает компоновку между клиновой поверхностью отклоняющего клина 8 и внутренней стенкой 13 обсадной колонны до начала вращения бурильной колонны.

Сообщая вращение колонне бурильных труб, зарезной фрезер-райбер 1 вначале срезает упор-выступ 11 и далее производит прорезание стенки 13 обсадной колонны скважины, а проходной 2 и калибрующий 3 фрезер-райберы завершают прорезку бокового «окна» до заданных размеров за один рейс бурильного инструмента.

Предлагаемое изобретение при неоднократных промысловых испытаниях показало, что боковые «окна» в обсадной колонне диаметром 146 мм с толщиной стенки 8-9 мм прорезаются за 8-12 часов работы, в том числе и теми фрезер-райберами, которые были вначале изготовлены из предлагаемого металла, а затем восстановлены методом газовой наплавки.