Результат интеллектуальной деятельности: ОТКЛОНИТЕЛЬ

Изобретение относится к буровой технике с использованием клина-отклонителя.

Оно может быть использовано для зарезки второго ствола в обсаженной и необсаженной скважине, для прорезания «окна» в стенке обсадной колонны, забуривания новых стволов в скважине, имеющей труднообрабатываемую породу.

Известно устройство [1] для бурения скважин и прорезания окон в стенке обсадной колонны, содержащее пород породоразрушающий наконечник, клин-отклонитель, выполненный с продольным пазом фигурного сечения и снабженный взаимодействующими с ним салазками с подшипником, закрепляющий механизм выполнен в виде телескопической трубы, соединенной с нижним концом клина-отклонителя, в неподвижной части которого расположен подпружиненный толкатель с собачкой, причем подвижная часть трубы взаимодействует с распорными плашками.

Устройство рассчитано на работу породоразрушающего наконечника в условиях противодействия стальных стенок обсадной колонны и рыхлой породы за стенками обсадной колонны труб. В случае использования устройства для направленного бурения скважин с повышенной прочностью залегающей в ней породы или при анизотропии горных пород, оно не применимо, т.к. несмотря на то, что поверхность клина-отклонителя не подвергается истиранию (она не изменяет своих параметров в процессе прорезания «окна» в стенке обсадной колонны труб в скважине из-за наличия салазок с подшипником, взаимодействующих с клином-отклонителем), при бурении труднообрабатываемой (например, кремниевых известняков) породы породоразрушающий наконечник в зоне контакта с породой подвергается значительным изгибающим усилиям и вибрации. В результате усилия резания перераспределяются в сторону поверхности клина-отклонителя, приводя к усиленному изнашиванию рабочей поверхности клина. При этом меняется угол зарезки, т.е. направление бурения ствола в скважине.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является отклонитель [2] с клином-отклонителем для образования «окна» в обсадной колонне труб в скважине. Устройство включает фрезерный инструмент, прикрепленный к верхнему концу клина-отклонителя. К нижнему концу клина-отклонителя прикреплен пакер или анкер, который может быть установлен с помощью соответствующих средств до отсоединения фрезы от клина-отклонителя. Фреза снабжена промывочными окнами. Клин-отклонитель имеет рабочую поверхность. Верхний конец рабочей поверхности выполнен в виде наклонной поверхности, угол наклона которой к оси скважины больше, чем угол наклона основной рабочей поверхности к оси скважины. Место перехода между наклонной рабочей поверхностью и основной рабочей 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. Наклонная рабочая поверхность клина-отклонителя может быть закалена, наращена твердыми сплавами или снабжена износоустойчивыми вставками, например из карбида вольфрама или алмазными зернами [3].

Недостатками устройства являются:

- устройство усложнено конструктивно;

- наклонная рабочая поверхность клина-отклонителя от абразивного износа и истирания может быть защищена закалкой, но это дорогостоящая защита, так как требует применения специального дорогостоящего оборудования [4], и не гарантирующая коробление клина-отклонителя в этом узком сечении;

- наращивание же износостойким материалом производится путем наплавки местами пластин твердого сплава, но в случае бурения необсаженной скважины, имеющей труднообрабатываемую породу, приведет к ускоренному изнашиванию наклонной рабочей поверхности клина в ее незащищенных частях и оголению режущих кромок износостойких пластин. В этом случае износостойкие пластины в момент контакта с фрезерным инструментом действуют разрушающе на поверхность инструмента (абразив скалывает и стачивает абразив). Скорость бурения снижается из-за присутствия значительных сил трения и взаимного скалывания и износостойкого материала фрезерного инструмента и защитного покрытия;

- ограничение зоны защиты клина-отклонителя (на наклонной рабочей поверхности), не защищенность отклоняющей рабочей поверхности от изнашивания в процессе бурения скважины;

- дороговизна способа изготовления наращиваемого слоя покрытия [3] и сложность напряженно-деформированного состояния из-за наличия внутренних напряжений, возникающих в зоне соединения рабочей поверхности клина-отклонителя с твердым материалом при охлаждении после наплавки, вследствие значительного различия коэффициентов линейного расширения, которые способствуют разрушению покрытия (при достаточно больших нагрузках на рабочей поверхности клина-отклонителя происходит срыв частиц твердого сплава, что сопровождается трещинами и твердый сплав (зерна и пластины) рассыпается;

- наплавка требует использования специального оборудования и высокой квалификации обслуживающего персонала, а также использования высокой температуры в локализированной зоне наплавки твердого материала на рабочую поверхность клина-отклонителя;

- устройство неоправданно усложнено наличием двух рабочих поверхностей на клине-отклонителе (направляющей и отклоняющей);

- наличие резкого перепада структурного состояния мест свободных от наплавки и мест с наплавкой покрытия также увеличивает напряжения на клине и создает угрозу разрушения изделия.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы фрезерного инструмента особенно при бурении труднообрабатываемых пород, удешевление защитного покрытия и способа нанесения на рабочую поверхность, возможность утилизации отходов тугоплавкого и твердого сплавов.

Технический результат достигается тем, что отклонитель, включающий клин-отклонитель с рабочей поверхностью, выполненной наклонно, и имеющий фрезерный инструмент, прикрепленный к его верхнему концу с возможностью разъединения, опору, прикрепленную к его нижнему концу и выполненную с возможностью установки для фиксации глубины расположения клина-отклонителя до прорезания фрезерным инструментом «окна» в стенке обсадной колонны труб, согласно изобретению клин-отклонитель имеет рабочую поверхность, выполненную отклоняющей, отклоняющая поверхность равномерно покрыта износостойким покрытием, выполненным из композита, состоящего из наполнителя и связующего, в котором в качестве наполнителя использована смесь частиц отходов тугоплавкого сплава, обладающего антифрикционными свойствами, и твердого сплава, а в качестве связующего - клей, обладающий эластичными свойствами.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что отклонитель заявляемый отличается наличием нового износостойкого покрытия по составу и возможностям, выполнением рабочей поверхности клина-отклонителя полностью отклоняющей, использования отходов в качестве компонентов износостойкого покрытия.

В отличие от прототипа, имеющего и наклонную и отклоняющую поверхности в качестве рабочих поверхностей клина-отклонителя и разные углы наклона этих поверхностей, заявляемое изобретение имеет одну рабочую поверхность - отклоняющую под одним заданным углом наклона, что значительно упрощает технологию изготовления клина-отклонителя, защиту поверхности от истирания, изнашивания в процессе прорезания «окна» в обсадной колонне труб и особенно после прорезания «окна» при последующем фрезеровании бокового отвода в скважине, содержащей труднообрабатываемую породу. Отклонитель прототипа не рассчитан на фрезерование труднообрабатываемой породы. Защита только наклонной поверхности твердым материалом способствует лишь началу прорезания «окна» фрезерным инструментом, т.к. в месте перехода фрезы с наклонной на отклоняющую поверхность соответствует моменту сквозного прорезания обсадной колонны труб. Далее работа фрезерного инструмента в прототипе связана с истиранием отклоняющей поверхности клина, т.к. труднообрабатываемая порода имеет значительно большую твердость и прочность, чем сталь, из которой изготовлен клин-отклонитель.

Предлагаемый же отклонитель имеет у клина-отклонителя только отклоняющую поверхность, которая полностью равномерно покрыта защитным слоем. Следовательно, в отличие от прототипа отклоняющая поверхность защищена от изнашивания, что способствует сохранению самой поверхности клина, зубьев фрезы и угла наклона, направление фрезы в процессе бурения скважины, а также распределению нагрузки таким образом, что усилия фрезерного инструмента будут сосредоточены в основном только на разрушение труднообрабатываемой породы в боковом стволе скважины.

В прототипе защита клина-отклонителя осуществляется наплавкой твердого материала, что удорожает и усложняет как технологию образования рабочей поверхности клина, так и сам материал клина. Заявляемый отклонитель имеет защитное покрытие из смеси ранее никогда не используемых для этого отходов производства или переработки изделий из твердого сплава и тугоплавкого сплава, с клеем, обладающим эластичными свойствами.

Новое решение было найдено в результате необходимости утилизировать накопившиеся отходы твердого сплава и тугоплавкого сплава. Длительный поиск решения привел к неожиданно положительному результату после многочисленных экспериментов. Задача осложнялась тем, что необходимо было исключить напайку, наплавку, которые приводили к большим остаточным напряжениям и изменению профиля клина-отклонителя. Использование в качестве связующего эластичного клея позволило при испытаниях покрытия обнаружить, что частицы отхода твердого сплава в отсутствие частиц тугоплавкого материала «работают» как режущие элементы, несмотря на их малый размер (0-1 мм).

Введение дополнительно частиц отходов из тугоплавкого сплава показал, что желательно использовать тугоплавкий сплав на основе меди, никеля, цинка и т.д. (материалов, обладающих антифрикционными свойствами). При сочетании пластичных частиц отходов из тугоплавких сплавов с твердым сплавом и с эластичным клеем удалось достичь поставленную цель - при комнатной температуре наносить клеевую смесь на рабочую поверхность клина-отклонителя, а после отверждения связующей - клея иметь защитное покрытие без особых материальных затрат и без использования высокой температуры (как в прототипе). Одновременно удалось найти область применения отходам тугоплавких и твердосплавных материалов. В результате достигли ускорения процесса фрезерования, т.к. происходит скольжение фрезы по поверхности защитного покрытия клина-отклонителя. При этом создается эффект уплотнения покрытия и увеличение плотности прилегания к защищаемой поверхности, увеличение адгезионной прочности как в защитном слое покрытия, так и на границе покрытия с рабочей поверхностью клина-отклонителя.

Таким образом заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение с другими техническими решениями [5-8] показывает, что заявляемое изобретение проявляет новые свойства, что приводит к повышению надежности на всех этапах работы фрезерного инструмента, и особенно важно - в процессе образования бокового ствола в скважине, имеющей труднообрабатываемую породу.

На фиг.1 схематично изображен отклонитель в сборе перед спуском в скважину.

На фиг.2 показан клин-отклонитель с защитным покрытием на рабочей поверхности. На фиг.3 - схема взаимного расположения компонентов в защитном покрытии в исходном состоянии. На фиг.4 - схема взаимодействия компонентов покрытия в момент фрезерования.

Отклонитель для бурения скважин состоит из клина-отклонителя 1, опоры 2, закрепленной в стенке обсадной колонны 3 в скважине 4. Клин-отклонитель имеет отклоняющую рабочую поверхность 5 с углом α к оси отклонителя. К верхнему концу клина-отклонителя прикреплен фрезерный инструмент 6, закрепленный с помощью разъединяемых крепежных средств 7. Отклоняющая рабочая поверхность клина-отклонителя 1 имеет защитное износостойкое покрытие 8, выполненное из композита, содержащего отходы твердосплавного материала 9 и тугоплавкого сплавов 10 в качестве наполнителя и связующего - эластичный клей 11.

Отходы тугоплавкого сплава использовали в виде частиц размером 0-5 мм. Материал сплава - БрБ2 (ГОСТ 18175-78). В качестве отхода твердого сплава использовали частицы размером 0-1 мм - ВК8 (ГОСТ 3882-74). В качестве эластичного клея использовали БФ-2 (ГОСТ 12172) и клей секундный, состав - этилацетилакрилат (АДМ, артикл 8258). Клин-отклонитель изготовлен из стали 40Х. Соотношение компонентов композиции в частях: 4:3:3 соответственно.

Работа отклонителя происходит следующим образом.

Устройство в собранном виде 1, 2, 6, 7 фиг.1 на колонне бурильных труб (не показано) опускают в скважину 4 до заданной глубины и закрепляют опору 2 в стенке обсадной колонны труб 3. Клин-отклонитель 1 устанавливают отклоняющей рабочей поверхностью 5 в требуемом направлении известным способом. Увеличивают нагрузку, срезают болты 7, соединяющие клин-отклонитель и фрезерный инструмент 6. Производят вначале прорезание «окна» в стенке обсадной колонны 3, а затем бурение и обсадку бокового ствола в скважине до намеченной глубины. Величина начального отклонения бокового ствола от оси основного ствола скважины определяется углом α наклона рабочей поверхности клина-отклонителя фиг.1. Клин-отклонитель за один проход позволяет перемещение по нему любого фрезерного инструмента 6 за счет наличия на отклоняющей рабочей поверхности 5 защитного покрытия 8 (фиг.2, 3 и 4), выполненного из композита, содержащего смесь частиц твердого и тугоплавкого сплавов в виде частиц отходов, в качестве связующего использован эластичный клей 11. Клей обладает способностью прочно соединять металлы или металлы с неметаллическими материалами.

Изобретение проверено на работоспособность в условиях бурения боковых стволов в обсаженной и необсаженной скважинах, содержащих труднообрабатываемую породу (кремниевые известняки), что позволяет считать, что заявляемое техническое решение имеет «изобретательский уровень», что оно «промышленно применимо». Оно внедряется в ООО «БИТТЕХНИКА» г.Перми и на других объектах по России того же направления.

Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается в следующем:

- в возможности упростить технологию изготовления рабочей поверхности клина-отклонителя и защитного покрытия на ней за счет исключения в процессе изготовления желоба, т.е. отклоняющей рабочей поверхности клина-отклонителя дорогостоящей операции термообработки и последующих операций правки желоба;

- в возможности утилизировать отходы твердого и тугоплавкого сплавов, удешевить одновременно и процесс нанесения и состав защитного покрытия;

- защитное покрытие из-за эластичных свойств клея самоупрочняется и увеличивает адгезионную прочность сцепления с отклоняющей рабочей поверхностью клина;

- исключен вариант изнашивания зубьев фрезерного инструмента при контакте с твердосплавными частицами, имеющими острые кромки, за счет наличия тугоплавких частиц, обладающих антифрикционными свойствами, и перекрывающих доступ к острым кромкам при их деформации (фиг.4);

- в возможности повышения надежности бурения скважин, имеющих труднообрабатываемую породу из-за оптимального перераспределения усилий фрезерного инструмента в одном направлении - в сторону прорезания стенок обсадной колонны труб или необсаженных стенок скважины с труднообрабатываемой породой, тем самым сохранив целостность отклоняющей рабочей поверхности клина-отклонителя и бурение в заданном направлении. Таким образом появляется возможность неоднократного использования желоба, т.е. отклоняющей рабочей поверхности клина-отклонителя.

Источники информации

1. А.С. №180540, МКИ Е 21 В 7/06, от 20.07.64 г. (аналог).

2. Патент №2173761, МКИ Е 21 В 29/06, от 08.07.1996 г. (прототип).

3. Патент №2167262, МКИ Е 21 В 10/50 (аналог).

4. Материаловедение под ред. Б.Н.Арзамасова. 2-е из-ние, М. «Машиностроение», 1986 г., с.100-105.

5. А.С. №154205, МКИ С 21 D 9/22, от 13.08.1959 г.

6. А.С. №484953, МКИ В 23 К 35/02, от 03.01.1974 г.

7. Патент №2006560, МКИ Е 21 В 7/08, от 21.03.91 г.

8. А.С. №152168, МКИ В 23 К 35/24, от 07.11.62 г.