Патент на изобретение №2311522

(54) ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ОТКЛОНИТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к буровой технике, в частности к гидравлическим отклонителям с использованием клина-отклонителя. Технический результат – повышение надежности закрепления на стенках обсадной колонны и извлекаемость отклонителя в целом. Гидравлический отклонитель содержит 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. Гидравлический отклонитель 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. 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. Камера 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. Распределитель выполнен в направляющей части в виде трех сквозных под углом 120° относительно друг друга отверстий. 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. 5 ил.», 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.

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.

РИСУНКИ