Устройство для закрепления извлекаемого бурового инструмента в обсадной колонне

Изобретение относится к техническим средствам, применяемым в процессе бурения ствола скважины с его одновременным обсаживанием обсадной колонной. Устройство содержит присоединяемый к низу обсадной колонны башмак с внутренними кольцевыми проточками и продольными пазами, размещенный внутри башмака центральный полый шпиндель с нижней присоединительной резьбой и уплотнением в верхней части, кольцевой обоймой со смонтированными на ней лезвиями, упорными лопастями и плашками для взаимодействия с башмаком обсадной колонны. Башмак снабжен жестко связанным с ним конусным седлом. Шпиндель выполнен с конусным уступом в средней части. Кольцевая обойма состоит из двух частей с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно друг друга, в нижней части которой расположены подпружиненные плашки с возможностью взаимодействия с кольцевой проточкой в башмаке, а в верхней шарнирно закреплены упорные лопасти с конусными внутренней и наружной поверхностями с возможностью контактирования с конусным седлом башмака и конусным уступом шпинделя. В нижней части шпинделя выполнена кольцевая канавка, а подпружиненные плашки снабжены жестко связанными с ними штифтами с возможностью фиксации их в канавке шпинделя. Между частями обоймы смонтирована пружина. Обеспечивает улучшение контакта упорных лопастей при их сочленении с башмаком, а также предотвращение заклинивания центрального шпинделя со смонтированными на нем подвижными элементами при транспортировании внутри обсадной колонны до его закрепления в башмаке. 7 ил.

 

Изобретение относится к техническим средствам, применяемым в процессе бурения ствола скважины с его одновременным обсаживанием обсадной колонной, которая наращивается по мере углубления ствола и не извлекается из скважины для смены долота.

Известно устройство для закрепления забойного двигателя в башмаке обсадной колонны, состоящее из плашечного устройства, смонтированного в нижней части забойного двигателя и уплотняющей манжеты в верхней части забойного двигателя [1]. При спуске и подъеме извлекаемого (вставного) инструмента внутри колонны обсадных труб плашки в утопленном (транспортном) положении скользят по стенкам труб вместе с извлекаемым инструментом. В момент достижения башмака колонны плашки выдвигаются с помощью пружин в кольцевую выточку башмака и задерживаются на внутреннем торце этой выточки. Продолжая опускаться, забойный двигатель садится конусообразной нижней частью в плашки и расклинивает их. При извлечении вставного инструмента плашки складываются от упора в верхний конический уступ внутренней кольцевой выточки башмака.

Недостатком указанного устройства является возможность заклинивания плашек конусообразной нижней частью забойного двигателя при прохождении стыков колонны во время спуска, а также ограниченная способность передачи реактивного момента колонне труб фрикционным конусным соединением плашечного устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для закрепления извлекаемого бурового инструмента в обсадной колонне, содержащее присоединяемый к низу обсадной колонны башмак с внутренними кольцевыми проточками и продольными пазами, размещенный внутри башмака центральный полый шпиндель с нижней присоединительной резьбой и уплотнением в верхней части, кольцевой обоймой со смонтированными на ней лезвиями, упорными лопастями и плашками для взаимодействия с башмаком [2, 3, 4].

Недостатком этого устройства является недостаточность контакта элементов, воспринимающих осевые нагрузки бурения.

Задачей изобретения является повышение надежности устройства для закрепления бурового инструмента в обсадной колонне в работе.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в улучшении контакта упорных лопастей при их сочленении с башмаком, а также предотвращении заклинивания центрального шпинделя со смонтированными на нем подвижными элементами при транспортировании внутри обсадной колонны до его закрепления в башмаке.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для закрепления извлекаемого бурового инструмента в обсадной колонне, содержащем присоединяемый к низу обсадной колонны башмак с внутренними кольцевыми проточками и продольными пазами, размещенный внутри башмака центральный полый шпиндель с нижней присоединительной резьбой и уплотнением в верхней части, кольцевой обоймой со смонтированными на ней лезвиями, упорными лопастями и плашками для взаимодействия с башмаком обсадной колонны, башмак снабжен жестко связанным с ним конусным седлом, шпиндель выполнен с конусным уступом в средней части, кольцевая обойма состоит из двух частей с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно друг друга, в нижней части которой расположены подпружиненные плашки с возможностью взаимодействия с кольцевой проточкой в башмаке, а в верхней шарнирно закреплены упорные лопасти с конусными внутренней и наружной поверхностями с возможностью контактирования с конусным седлом башмака и конусным уступом шпинделя, причем в нижней части шпинделя выполнена кольцевая канавка, а подпружиненные плашки снабжены жестко связанными с ними штифтами с возможностью фиксации их в канавке шпинделя, при этом между частями обоймы смонтирована пружина.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря установке внутри башмака жестко связанного с ним конусного седла, в верхней части подвижной обоймы - шарнирно закрепленных на ней упорных лопастей с конусными внутренней и наружной поверхностями, а в средней части шпинделя - выполненного конусного уступа, удается создать монолитное закрепление центрального шпинделя с помощью контактирования по конусным поверхностям седла, лопастей и шпинделя.

Наличие в нижней части шпинделя кольцевой канавки, а в подпружиненных плашках - жестко связанных с ними штифтов, позволяет зафиксировать шпиндель при утопленном положении плашек от осевого перемещения и предотвращает расклинивание упорных лопастей во время транспортировки шпинделя внутри обсадных труб, обеспечивает закрепление лопастей в конусном седле при попадании плашек во внутреннюю кольцевую проточку в нижней части башмака.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена компоновка извлекаемого (вставного) бурового инструмента в момент движения ее внутри колонны обсадных труб.

На фиг.2 изображена та же компоновка в момент посадки ее в седло башмака и начала работы по проработке и бурению ствола скважины с одновременным спуском обсадной колонны.

На фиг.3 изображен продольный разрез устройства для закрепления извлекаемого бурового инструмента в обсадной колонне в положении осуществления бурения извлекаемой (вставной) компоновкой.

На фиг.4 изображен продольный разрез внутренней (извлекаемой) части устройства со смонтированными на ней элементами в транспортном положении.

На фиг.5 - поперечное сечение А-А фиг.3 по лезвиям.

На фиг.6 - поперечное сечение Б-Б фиг.4, поясняющее конструкцию шарнирного узла соединения упорных лопастей с обоймой.

На фиг.7 - вид В фиг.4, поясняющий конструкцию сопряжения верхней и нижней частей обоймы, позволяющий иметь ограниченное перемещение их относительно друг друга.

Устройство для закрепления извлекаемого бурового инструмента в обсадной колонне состоит из башмака 1, присоединяемого к нижней части обсадной колонны 2, и внутренней извлекаемой части 3 с элементами подсоединения к башмаку, расположенными на шпинделе 4. Шпиндель 4 является верхней частью компоновки извлекаемого (вставного) бурового инструмента, включающего УБТ 5, забойный двигатель 6, раздвижной расширитель 7 и пилотное долото 8. В состав компоновки могут быть включены и другие элементы, например, керноотборный снаряд, отклонитель и т.д. Извлекаемый буровой инструмент транспортируется к забою и извлекается на поверхность внутри колонны обсадных труб 2 (фиг.1).

Низ обсадной колонны оборудуется башмаком, корпус которого содержит конусное седло 9, а также кольцевую проточку 10 и продольные пазы 11.

Башмак 1 обсадной колонны (фиг.3, 5) включает наружный корпус с жестко установленным в нем конусным седлом 9, внутренними кольцевой проточкой 10 в нижней части и продольными пазами 11 в верхней части. Верхней резьбой 12 башмак присоединяется к обсадной колонне; нижняя часть 13 башмака выполнена утолщенной (несколько меньшей по диаметру, чем диаметр скважины). Наружная поверхность утолщенной части башмака, а также его торцевая поверхность армированы твердосплавными зубками 14. На наружной поверхности утолщенной части выполнены продольные пазы для прохода промывочной жидкости. Внутри башмака расположен центральный шпиндель 4 с промывочным каналом 15 и расположенным в нем полым подпружиненным штоком 16 с уплотнениями 17. На наружной поверхности штока выполнена кольцевая проточка 18 с фаской 19. В верхней части шпинделя смонтировано уплотнение в виде поршня 20. Нижняя часть шпинделя представлена резьбой 21. В средней части шпинделя выполнены радиальные пазы 22, в которых расположены лезвия 23 с возможностью перемещения в радиальном направлении. Лезвия фиксируются с помощью штифтов. Ниже пазов 22 в средней части шпинделя выполнен конусный уступ 24 и кольцевая выточка 25. В нижней части шпинделя смонтированы верхняя 26 и нижняя 27 кольцевые обоймы. Обоймы связаны между собой с помощью захвата 28, позволяющего ограниченное относительное осевое перемещение обойм.

На наружной проточке нижней обоймы 27 расположена пружина 29, которая через шайбу 30 воздействует на верхнюю обойму 26. В верхней обойме на шарнирных осях 31 смонтированы упорные лопасти 32 с внутренней 33 и наружной 34 коническими поверхностями. Хвостовик 35 лопасти опирается на плоскую пружину 36, закрепленную винтами 37 на обойме. Ось 31 фиксируется в отверстии с помощью штифта 38.

В нижней обойме размещены подпружиненные выдвижные плашки 39, имеющие жестко связанные с ними штифты 40. В нижней части шпинделя выполнена кольцевая канавка 41.

Устройство для закрепления извлекаемого бурового инструмента в обсадной колонне работает следующим образом.

В спущенную обсадную колонну, низ которой оборудован башмаком 1 с жестко связанным с ним конусным седлом 9, внутренними продольными пазами 11 и кольцевой проточкой 10 в нижней части, осуществляют транспортирование извлекаемого (вставного) инструмента, состоящего (в общем случае) из пилотного долота, раздвижного расширителя, забойного двигателя, УБТ и верхней части компоновки - внутренней части 3 устройства для закрепления извлекаемого бурового инструмента в обсадной колонне.

Транспортирование извлекаемого инструмента может осуществляться на канате, либо сбрасыванием в обсадную колонну с прокачиванием бурового раствора. Все смонтированные на шпинделе выдвижные элементы - плашки 39, упорные лопасти 32, лезвия 23 находятся в утопленном положении и протектируются при движении внутренней поверхностью обсадной колонны.

Подпружиненный шток 16 находится в выдвинутом положении и лезвия 23, находящиеся в пазах 22 шпинделя, опираются на наружную поверхность кольцевой проточки 18 штока 16.

Упорные лопасти 32 в утопленном положении располагаются в кольцевой выточке 25 шпинделя 4.

Благодаря тому что в транспортном положении плашки 39 штифтами 40 взаимодействуют с канавкой 41 шпинделя 4, последний не имеет возможности перемещения относительно нижней 27 и верхней 26 обойм со смонтированными на нем упорными лопастями 32, тем самым обеспечивается гарантия отсутствия расклинивания упорных лопастей 32 от воздействия на них конусного уступа 24 шпинделя 4 при спуске извлекаемого инструмента внутри обсадной колонны.

При посадке извлекаемого бурового инструмента в башмак 1 первыми западают в кольцевую проточку 10 башмака обсадной колонны подпружиненные плашки 39, в результате чего нижняя 27 и верхняя 26 обоймы с упорными лопастями 32 останавливаются. При радиальном перемещении плашек в кольцевую проточку башмака происходит перемещение жестко связанного с плашками штыря 40 и выход его из проточки 41 шпинделя 4, в результате чего происходит освобождение шпинделя и его передвижение относительно зафиксированной наружной системы, упорные лопасти выходят из кольцевой выточки 25, конусный уступ 24 шпинделя надвигается на внутренние конусные поверхности 33 упорных лопастей 32 и входит с ними в контакт. Разворот лопастей 32 происходит в полости над конусным седлом 9. Благодаря наличию пружины 29 на нижней обойме 28, которая воздействует на верхнюю обойму 26 со смонтированными на ней упорными лопастями 32 и предварительного зазора в захвате 28, окончательное замыкание конусных поверхностей седла, упорных лопастей и шпинделя происходит после сжатия пружины 29 и выбора зазора в захвате 28. Такое конструктивное решение позволяет компенсировать неточность относительного расположения по длине посадочных элементов в корпусе башмака, неизбежных при изготовлении изделия.

После посадки шпинделя включают буровые насосы. Герметизация промывочного канала 15 при прокачивании бурового раствора осуществляется поршнем 20 шпинделя 4.

Под действием давления бурового раствора на подпружиненный шток 16 происходит его перемещение вверх и выдвижение лезвий 23 посредством воздействия на них фаски 19. Если выдвижению лезвий препятствует внутренняя поверхность корпуса башмака с участками, где отсутствуют продольные пазы, то при запуске забойного двигателя, под действием реактивного момента произойдет поворот шпинделя и лезвия западут в пазы, тем самым реализуя восприятие реактивного момента двигателя обсадной колонной.

Использование предлагаемого технического решения при бурении скважины с одновременным спуском обсадной колонны позволяет избежать аварийные ситуации, возникающие в процессе бурения стволов скважин в неустойчивых породах, и повысить надежность работы.

Источники информации

1. Г.С.Баршай, Я.А.Гельфгат, А.З.Романов. "Турбинное бурение без подъема труб." Издательство "Недра", М., 1967 г., (рис.26, 32, 33)

2. SPE/IADC Drilling Conference, 19-21.02.2003 г "Directional drilling with casing" Tommy Warren, Bruce Houtchens, Garret Madell (Фиг.1).

3. Патент США №7021382 от 04.04.2006 г. Angman P.O., Hughes J. "Downhole axial force generating tool" (Фиг.2).

4. Проспект "Tesco corp." (Канада) "Casing Profile Nipple". Bulleten 74000e.

Устройство для закрепления извлекаемого бурового инструмента в обсадной колонне, содержащее присоединяемый к низу обсадной колонны башмак с внутренними кольцевыми проточками и продольными пазами, размещенный внутри башмака центральный полый шпиндель с нижней присоединительной резьбой и уплотнением в верхней части, кольцевой обоймой с смонтированными на ней лезвиями, упорными лопастями и плашками для взаимодействия с башмаком обсадной колонны, отличающееся тем, что башмак снабжен жестко связанным с ним конусным седлом, шпиндель выполнен с конусным уступом в средней части, кольцевая обойма состоит из двух частей с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно друг друга, в нижней части которой расположены подпружиненные плашки с возможностью взаимодействия с кольцевой проточкой в башмаке, а в верхней шарнирно закреплены упорные лопасти с конусными внутренней и наружной поверхностями с возможностью контактирования с конусным седлом башмака и конусным уступом шпинделя, причем в нижней части шпинделя выполнена кольцевая канавка, а подпружиненные плашки снабжены жестко связанными с ними штифтами с возможностью фиксации их в канавке шпинделя, при этом между частями обоймы смонтирована пружина.