Отклонитель

Изобретение относится к буровой технике, используемой клин-отклонитель. Оно может быть использовано для зарезки бокового ствола как в необсаженной, так и обсаженной скважинах, имеющих труднообрабатываемую породу. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы фрезерного инструмента преимущественно при бурении труднообрабатываемых пород, удешевление защитного покрытия, возможность утилизации отходов производства или обработки изделий из твердого и тугоплавкого сплавов. Технический результат достигается тем, что отклонитель, имеющий отклоняющую рабочую поверхность, а также фрезерный инструмент, прикрепленный к его верхнему концу клина-отклонителя, опору, прикрепленную к его нижнему, согласно изобретению отклоняющая рабочая 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. Изобретение повышает надежность работы фрезерного инструмента, особенно необходимой в процессе бурения труднообрабатываемых пород. Найден дешевый и простой вариант выполнения защитного покрытия за счет утилизации отходов тугоплавкого и твердого сплавов. 4 ил.

 

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.

Отклонитель, включающий клин-отклонитель, имеющий отклоняющую рабочую поверхность, а также фрезерный инструмент, прикрепленный к верхнему концу клина-отклонителя, и опору, прикрепленную к нижнему концу клина, отличающийся тем, что отклоняющая рабочая поверхность клина-отклонителя покрыта равномерно 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 использован клей, обладающий эластичными свойствами.