Патент на изобретение №2209917

(54) СПОСОБ ОРИЕНТИРОВАННОГО ВЫРЕЗА ОКОН В ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, а именно к технологии выреза окон в обсадных колоннах для бурения дополнительных стволов. Сущность изобретения: способ ориентированного выреза окон в обсадной колонне включает спускоподъемные операции режущего и породоразрушающего инструмента, фрезерование стенок обсадных колонн, бурение дополнительных стволов и их крепление, при этом вырез окна в стенке обсадной колонны производят без опоры на цементный мост или направляющий металлический клин при висящей колонне бурильных труб с использованием шарнирного отклонителя, опирающегося лишь на стенку скважины в течение всего процесса выреза окна, имеющего возможность поворота шпинделя с установленным на нем корончатым фрезером в заданном направлении под углом к оси скважины, необходимым для выхода корончатого фрезера за пределы обсадной колонны. Изобретение позволяет осуществлять вырез окон в обсадных колоннах без установки цементных мостов, а также повысить продуктивность скважин. 5 з.п.ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, а именно к технологии выреза окон в обсадных колоннах для бурения дополнительных стволов в случаях аварийного состояния скважин. В эксплуатационных скважинах окна могут быть вырезаны как каналы для притока нефти и газа из продуктивных пластов.

В настоящее время дополнительные стволы из обсаженных скважин забуриваются по трем схемам. В одной из этих схем предусматривается вырез окна в колонне с помощью райберов и стационарных металлических направляющих клиньев. По двум другим схемам предусматриваются полный вырез обсадных труб в интервалах забуривания, заливка их цементным раствором, а затем бурение новых стволов с помощью стационарных или съемных направляющих металлических клиньев или с помощью турбинных отклонителей по технологии бурения наклонных скважин. (Справочник “Бурение наклонных скважин”, A.Г. Калинин и др. Издательство “Недра”, 1990 год).

Большое количество сложных операций: установка цементных мостов, их разбуривание до нужной глубины, ориентированная установка направляющих клиньев и их цементирование, вырез большего количества металла и другие сопутствующие работы делают эти технологии трудоемкими и дорогими.

С целью решения задач по снижению трудоемкости и стоимости указанных работ, сокращению объемов вырезаемого металла, исключению цементажных работ, повышению продуктивности скважин предлагаем “Способ ориентированного выреза окон в обсадной колонне”.

Сущностью изобретения является разработка технологии выреза окон в обсадных колоннах с применением комплекса устройств и инструментов, позволяющей ускорить прорезание окон в обсадных колоннах и бурение дополнительных стволов, автоматизировать процессы управления траекторией скважины, увеличить отбор нефти и газа из продуктивных пластов.

В предложенной технологии эти задачи решаются путем применения шарнирного отклонителя, опирающегося лишь на стенку скважины в течение всего процесса выреза окна при висящей колонне бурильных труб без опоры на цементный мост или направляющий металлический клин. Шпиндель корончатого фрезера имеет возможность вращаться вокруг собственной оси и отклоняться от оси корпуса вместе с установленным на нем корончатым фрезером в заданном направлении под углом, необходимым для выхода корончатого фрезера за пределы скважины, при этом благодаря заглублению на 20-30 мм внутренних резцов на корпусе фрезера по отношению к резцам на коронке при фрезеровке внутри коронки образуется выступ из металла и цементного камня, который препятствует сходу фрезера с наработанного уступа при больших осевых нагрузках на резцы.

Процесс выреза окон разделен на два этапа:
на начальном этапе фрезеровка окон производится корончатым фрезером с минимальным удалением торца коронки от центра шаровой опоры шарнирного отклонителя, чтобы иметь максимально возможный угол между осью шпинделя и осью корпуса отклонителя и передать наибольшее боковое усилие на резцы коронки корончатого фрезера, создаваемое камерами управлен шарнирного отклонителя, чтобы обеспечить ускоренное прорезание обсадной колонны на величину, достаточную для образования уступа, способного удерживать корончатый фрезер на уступе при увеличении осевой нагрузки на него, фрезеровка этой компоновкой ведется до половины расчетной длины окна;
на втором этапе выреза окна между коронкой и корпусом корончатого фрезера устанавливается удлинитель или керноприемная труба, диаметры которых на 10-15 мм меньше диаметра коронки фрезера, а длина в сумме с длиной шпинделя и фрезера составляет половину расчетной длины окна.

Разборная конструкция корончатого фрезера позволяет затачивать режущие твердосплавные элементы как периферийные, так и внутренние, что имеет большое значение в начале фрезеровки, когда нет возможности создать значительное давление на резцы.

Конструкция корончатого фрезера предусматривает ввод в его компоновку удлинителя или керноприемной трубы. Это дает возможность регулировать размеры прорезаемых окон и отбирать образцы металла и горной породы для проведения исследований и корректировки разработки месторождения.

Благодаря отказу от цементных работ и возможности шарнирного отклонителя прорезать обсадную колонну и затрубный цемент до продуктивного пласта при небольшом продольном движении режущего инструмента (300-400 мм) решается вопрос тиражирования окон в одном стволе с сохранением его чистоты. Это дает возможность использовать окна как каналы для притока нефти и газа из нескольких продуктивных залежей.

В процессе выреза окна по безопорной технологии используются “шарнирный отклонитель” (фиг. 1, 2, 3, 4 и 5), “корончатый фрезер” (фиг. 6, 7 и 8), удлинители (фиг. 9, 10 и 11). Бурильные, насосно-компрессорные и обсадные трубы, долота, стандартные фрезеры и калибраторы для работы в обсадных колоннах подбираются соответственно размеров и нормативов.

Назначение, устройство и работа технологического оборудования.

Шарнирный отклонитель предназначен для установки и удержания в расчетном азимуте направления выреза окна и бурения дополнительного ствола, набора угла искривления нового ствола, создания необходимого усилия на резцы фрезера во время выреза окна. Шарнирный отклонитель работает в автономном режиме по установленной программе и состоит из корпуса 1, полого вала 2, шпинделя 3, механизма управления – детали 15, 16, 17, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 и отклоняющего узла-детали 4, 9, 28, 29. Полый вал 2 соединен со шпинделем 3 шарнирной муфтой 4 и переводником 5 с бурильными трубами или с валом забойного двигателя. Шпиндель 3 через переводник 6 соединяется с фрезером или с долотом. Полый вал 2 вместе со шпинделем 3 вращаются внутри корпуса 1 на подшипниках 7, 8, 9, 10, 11. На корпусе 1 навинчены муфты верхняя 12 и нижняя 13. Шпиндель 3 в муфте 13 вращается на самоустанавливающихся подшипниках или на радиально-аксиальных подшипниках внутри шаровой опоры 31 (фиг. 3). В обеих конструкциях шпиндель, вращаясь вокруг собственной оси, имеет возможность отклоняться от оси корпуса на 5-10^o. На верхнем конце полого вала конструкция и схема установки подшипников допускают возможность перекоса осей полого вала и корпуса в пределах 1^o. К нижней части муфты 12 на резьбе закреплена труба 15, образующая вместе с корпусом 1 кольцевую камеру, в которой установлен механизм управления траекторией. На нижнем конце трубы 15 установлена втулка 16, в которой закреплены штуцеры 26. На втулке по наружному диаметру установлено резиновое уплотнение 17. На верхнем конце трубы 15 установлена манжета 18, герметизирующая зазор между полым валом 2 и трубой 15. В полом валу просверлены отверстия 19, через которые промывочная жидкость поступает в кольцевую камеру механизма управления, который состоит из кольцевого мятника 21, подвешанного на тонких стержнях 22 к муфте 12, и кольцевого золотника 24, соединенного с маятником тонкими болтами 23. Болты свободно скользят в сверлениях маятника 21. Пружины 25, надетые на болты 23 между маятником и золотником, гасят вибрации и прижимают золотник к штуцерам 26. Маятник 21, стремясь к зениту при отклонении скважины от вертикали передвигает золотник 24, лежащий на торцах штуцеров 26, открывая или закрывая в них каналы. Входные каналы в штуцерах смещены относительно их осей. Эксцентричность позволяет входные отверстия подводить к внутренней или наружной стенке кольцевой камеры. Промывочная жидкость поступает через штуцеры 26, трубки 27 в гидрокамеры 28, отклоняющие шпиндель 3 в заданном направлении. Из камер жидкость постоянно вытекает через жиклеры 29. Диаметр отверстий жиклеров в 3-4 раза меньше диаметров отверстий штуцеров. За счет разницы в потерях давления в штуцерах и жиклерах (в 15-20 раз) в гидрокамерах поддерживается необходимое давление. В кольцевой камере давление поддерживается за счет потерь давления в насадке 30, ввинченной в торец полого вала 2.

Перед спуском отклонителя в скважину в зависимости от задачи проводится настройка его механизма управления, для чего корпус 1 отвинчивают и приподнимают над втулкой 16. При вырезе окна в направлении искривления скважины штуцеры 26 поворачивают входными каналами к наружной стенке кольцевой камеры (фиг. 3) и соединяют трубками 27 с гидрокамерами 28, расположенными ниже по одной оси. После чего корпус 1 свинчивают с муфтами 12 и 13. На забое маятник 21 отклонится от оси устройства к вертикали и переместит в этом же направлении золотник 24, который откроет входные отверстия на штуцерах 26 с верхней стороны скважины.

Гидрокамеры 28, наполнившись жидкостью, с усилием за счет перепада давления в жиклерах 29 сместят подшипник 9, низ полого вала 2, муфту 4 и верхний конец шпинделя 3 к нижней стенке корпуса 1. Шпиндель повернется в центре шаровой опоры 31 (фиг. 3) или в центре самоустанавливающегося подшипника 11 (фиг. 1) и прижмет фрезер к восстающей стенке скважины. После выреза окна при углублении ствола зенитный угол будет увеличиваться. Для выреза окна в нижней стенке скважины и уменьшения зенитного угла наклона ствола при настройке механизма управления штуцеры 26 необходимо повернуть входными отверстиями к внутренней стенке кольцевой камеры (фиг. 4). Связь штуцеров с гидрокамерами остается как и в первом случае. Для изменения азимута направления дополнительного ствола относительно азимута основной скважины нужно при настройке механизма управления направить поток жидкости из штуцеров 26 в гидрокамеры 28 со смещением на расчетный угол. На фиг. 5 показано смещение направления шпинделя от направления наклона скважины вправо на 90^o. Это обеспечивается длиной и формой трубок 27.

От поворота в скважине устройство фиксируется продольными шлицами на муфте 13, которая прижимается к стенке скважины реакцией, вызванной нажатием шпинделя с фрезером или долотом, на противоположную стенку. Продольная форма шлицов позволяет перемещаться устройству вдоль оси скважины вместе с бурильными трубами при соответствующем нажиме. При случайном окружном проскальзовании шлицов относительно стенок скважины механизм управления траекторией переключит гидрокамеры по направлению в соответствии с настройкой.

Корончатый фрезер (фиг. 6, 7, 8) предназначен для выреза окна в обсадной колонне, навинчивается на шпиндель отклонителя. Он состоит из корпуса 33, коронки 34 и трех сухарей 35, длина одного из них равна диаметру корпуса 33, два коротких. Сухари вставляются в пазы корпуса 33. После вставки сухарей на корпус навинчивается коронка 34, которая исключает выпадание сухарей из пазов. Коронка и сухари армируются пластинками из твердого сплава. Разборная конструкция фрезера дает возможность затачивать твердосплавные резцы как периферийные, так и внутренние, что важно в начале зарезки окна, когда нельзя использовать вес труб для нажима на фрезер. Особенностью конструкции “корончатого фрезера” является то, что резцы 35 на корпусе по отношению к резцам 36 на коронке загублены на 20-30 мм, что обеспечивает образование внутри коронки выступа из опиленной стенки обсадной колонны 32 и цементного камня (фиг. 8), который препятствует сходу фрезера с запиленного уступа при нажиме на него весом бурильных труб. Высота выступающего венца с периферийными резцами на коронке 34 должна быть меньше, чем зазор между торцами обсадных труб в соединительных муфтах. Это позволяет установить фрезер на торец фрезеруемой трубы и давить на резцы весом бурильных труб, что ускорит процесс выреза окна.

Удлинители (фиг. 9, 10 и 11) предназначены для увеличения плеча между центром шаровой опоры шпинделя и фрезером с целью обеспечения выхода фрезера за внешнюю стенку обсадной колонны в пределах расчетной длины окна. Во время выреза окна корпус отклонителя прижимается к противоположной стенке основного ствола и скользит по ней. По мере углубления фрезера в стенку, расстояние между опорой и фрезером увеличивается до предельного, ограниченного конструктивными размерами системы. Фрезеровкой при коротком плече от центра шаровой опоры до торца фрезера не выйдешь за пределы обсадной трубы, а при длинном плече не создашь необходимого нажима на резцы фрезера, приходится вырез окна проводить в два этапа.

На фиг. 12 и 13 показаны фронтальный вид и профиль окна, рассчитанного для колонны диаметром 146 мм и длиной 2 м, высота окна изображена в масштабе 1: 10, а ширина в масштабе 1:5. Диаметр коронки для выреза окна принят 126 мм. При этих размерах окна перегиб осей основного и дополнительного стволов в вершине окна составляет 3^o, а радиус кривизны вводимых в окно труб 60-70 м. Допустимый минимальный радиус для труб диаметром 102 и 114 мм, которыми будут обсаживаться дополнительные стволы, равен 30 – 35 м, т.е. обеспечивается двойной запас прочности по упругим деформациям.

Фрезеровка окна начинается с интервала а-б (фиг. 12 и 13) корончатым фрезером минимальной длины (фиг. 6, 7 и 8), чтобы в начальный момент фрезеровки иметь достаточное усилие шпинделя на коронку и достаточный угол между осями, чтобы удерживать режущую кромку коронки на уступе зарезки. При этом длина шпинделя вместе с длиной фрезера при максимальном угле перекоса осей шпинделя и корпуса, которые позволяет конструкции отклониться, должны обеспечивать выход периферийных резцов фрезера до стенок скважины, как показано на фиг. 8, а диаметр коронки обеспечить ширину окна, необходимую для прохода через него компоновок для последующих буровых работ. Длина интервала а-б равна минимальной длине плеча от центра шаровой опоры до торца фрезера (в трубах ф 146 мм она равна 300-350 мм). Выход фрезера до горной породы достигается многократной проработкой интервала а-б в течение 2 – 3 ч по отметкам, нанесенным на рабочую штангу. Интервал б-в фрезеруется также коротким фрезером под нажимом веса труб 0,5-1 т до половины длины окна. После проходки первой половины окна компоновка поднимается.

Для фрезеровки второй половины окна между шпинделем и фрезером устанавливается удлинитель-стабилизатор (фиг. 10), диаметр которого лишь на 10-15 мм меньше диаметра коронки фрезера, поэтому он ограничивает набор кривизны в интервале нижней половины окна в-д, и фрезеровка этого интервала проходит почти по наклонной прямой под углом к старому стволу 3-3,5^o. Если желаем получить больший отход фрезера от обсадной трубы, устанавливаем удлинитель меньшего диаметра (фиг. 9), он свободно будет проходить в суживающийся к низу просвет окна и позволит шпинделю увеличивать угол отклонения до конструктивно возможного.

В случае необходимости подъема фрагмента трубы затрубного цемента столбика породы, устанавливается удлинитель с кернодержателем (фиг. 11).

Кернодержатель 41 представляет собой стальное, упругое, разрезанное с одной стороны кольцо, внутренний диаметр которого на 1-2 мм меньше диаметра, опиленного резцами 36 и 39 керна из металла, цементного камня и породы. Кольцо 41 стягивает керн с некоторой силой упругости, но под нажимом стопорного кольца 40 скользит вниз по керну по мере углубления забоя. Наружный диаметр кольца 41 на 2-3 мм меньше внутреннего диаметра трубы 37, которая свободно вращается вокруг кольца с керном. В случае, если металл в основании окна полностью не срезан, а коронка износилась, то кернодержатель под некоторой натяжкой освободится от керна. Центральные резцы 35 на случай, если проходка за долбление будет больше длины керноприемной трубы, устанавливаются в верхней части удлинителя. Фрезеровка второй половины окна, независимо от компоновки низа бурильной колонны, ограничивается лишь износом фрезера. В компоновки для второго и последующих долблений обязательно включаются отклонители и удлинители длиной не менее половины длины окна. Перед вводом компоновки в окно циркуляция в скважине должна быть восстановлена, чтобы отклонитель привести в рабочее положение, который направит долото в направление вырезанного окна, после чего компоновка медленно опускается на новый забой. Диаметр опорной муфты 13 отклонителя, включенного в компоновку, должен быть на 2-3 мм меньше диаметра фрезера (долота), которым вырезано окно и ведется дальнейшее бурение. Так, если в колонне с внутренним диаметром 130 мм вырезано окно шириной 126 мм, то диаметр опорной муфты отклонителя для последующих работ должен быть 123-124 мм. В случае, когда предусматривается бурение из окна дополнительного ствола с радиусом искривления 40-50 м с выходом на горизонталь, необходимо интервал с вырезанным окном залить цементом, после затвердевания пройти это окно компоновкой с отклонителем, настроенным на азимут выреза окна, с коротким фрезером. Затем продолжить бурение той же компоновкой, заменив фрезер на долото. При выходе на горизонталь отклонитель убрать из компоновки.

Вырез окон в эксплуатационных колоннах с целью создания каналов для интенсификации притока нефти и газа из продуктивных пластов производится фрезерами, диаметры коронок которых в два раза меньше диаметров скважин (фиг. 14 и 15). Выход периферийных резцов до стенки скважины (продуктивного пласта 43) обеспечивается предельным углом отклонения оси шпинделя от оси корпуса отклонителя и расстоянием торца коронки фрезера 34 от центра шаровой опоры 31. Так, в колонне диаметром 146 мм, которой обсажена скважина диаметром 215 мм, вырез окон целесообразно производить фрезером диаметром 100 мм, длина плеча шпинделя с фрезером от центра шаровой опоры до торца коронки составит 500 мм, предельный угол отклонения оси шпинделя от оси корпуса отклонителя должен быть 7^o. При этом вскрывается коллектор 43 на глубину 1-3 мм и ширину 30 мм. Достигается минимальный объем резки металла – вырезается полоса из стенки трубы шириной 90-100 мм, что составляет 20-22% от ее окружности. Длина окна определяется мощностью залежи. Технология зарезки и фрезеровки окна аналогична технологии зарезки и фрезеровки первой половины окна для бурения дополнительных стволов.

Размеры окон, в зависимости от характеристики продуктивного пласта его устойчивости, пористости, проницаемости и насыщенности могут быть различными по ширине, длине и глубине, лишь бы они обеспечивали устойчивость ствола скважины и эффективный отбор продукта из коллектора.

Формула изобретения

1. Способ ориентированного выреза окон в обсадной колонне, включающий спускоподъемные операции режущего и породоразрушающего инструмента, фрезерование стенок обсадных колонн, бурение дополнительных стволов и их крепление, отличающийся тем, что вырез окна в стенке обсадной колонны производится без опоры на цементный мост или направляющий металлический клин при висящей колонне бурильных труб с использованием шарнирного отклонителя, опирающегося лишь на стенку скважины в течение всего процесса выреза окна, имеющего возможность поворота шпинделя с установленным на нем корончатым фрезером в заданном направлении под углом к оси скважины, необходимым для выхода корончатого фрезера за пределы обсадной колонны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вырез окна производят корончатым фрезером, периферийные резцы которого опущены ниже центральных резцов на 20 – 30 мм, благодаря чему при фрезеровке внутри фрезера образуется выступ из опиленной обсадной колонны и цементного камня, который препятствует сходу фрезера с наработанного уступа и дает возможность использовать вес буровой колонны в нажиме на резцы.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что процесс выреза окна делится на два этапа: на начальном этапе фрезеровка окна производится корончатым фрезером с минимальным удалением торца коронки корончатого фрезера от центра шаровой опоры шарнирного отклонителя, чтобы иметь максимально возможный угол между осью шпинделя и осью корпуса отклонителя и передать наибольшее боковое усилие на корончатый фрезер, создаваемое камерами управления шарнирного отклонителя, чтобы обеспечить ускоренное прорезание обсадной колонны на величину, достаточную для образования уступа, способного удерживать фрезер на уступе при увеличении осевой нагрузки на него, фрезеровка этой компоновкой ведется до половины расчетной длины окна, на втором этапе выреза окна между коронкой и корпусом корончатого фрезера устанавливается удлинитель, диаметр которого на 10-15 мм меньше диаметра коронки фрезера и длина в сумме с длиной шпинделя и фрезера составляют половину расчетной длины окна.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что корончатый фрезер выполняют разборным, что дает возможность затачивать режущие твердосплавные элементы как периферийные, так и внутренние.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что конструкция корончатого фрезера позволяет между коронкой и корпусом установить керноприемную трубу, в которую вставляют кернодержатель в виде разрезанного с одной стороны стального упругого кольца, которое может удерживать керн до определенного усилия и освобождаться от него при подъеме инструмента в случае, если металл в основании окна полностью не срезан, а коронка корончатого фрезера износилась.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что дает возможность тиражирования окон в обсадных колоннах любых размеров по ширине, глубине и длине для интенсивного дренирования из пласта продукта и тем самым заменить традиционные способы вскрытия продуктивных пластов.

РИСУНКИ