ES2232209T3 - Herramienta para fondo de pozo con miembros extensibles. - Google Patents

Abstract

Una herramienta (10) de corte para fondo de pozo para fijarla entre unas secciones primera y segunda de una cadena de perforación, cuya herramienta comprende: un mandril (16) para acoplar a una primera sección de cadena de perforación; un cuerpo (18) desplazable axialmente fijado en el mandril (16) y para acoplar a una segunda sección de cadena de perforación, por lo que la aplicación de peso a la cadena induce un movimiento axial del cuerpo (18) con respecto al mandril (16); unos medios (88) que responden a la presión de un fluido para mover el cuerpo (18) axialmente con respecto al mandril (16) tras la aplicación de una fuerza de presión de un fluido entre el cuerpo (18) y el mandril (16); y una cuchilla (30) extensible radialmente en dirección lineal fijada en el cuerpo (18) y que está asociada operativamente con el mandril (16), de tal manera que el movimiento axial relativo del mandril (16) y del cuerpo (18) induce el movimiento radial de la cuchilla (30), induciéndose la extensión radial lineal de la cuchilla (30) por la aplicación de peso a la cadena, e induciéndose la retirada de la cuchilla (30) por la aplicación de una tensión axial a la herramienta.

Description

Herramienta para fondo de pozo con miembros extensibles.

Este invento se refiere a una herramienta para fondo de pozo, y en particular a una herramienta que tiene unos miembros extensibles radialmente, tal como una sub-escariadora o un estabilizador expandible.

En las operaciones de perforación, tales como la perforación de pozos para acceder a depósitos subterráneos de hidrocarburos, los pozos perforados se revisten con tubo de acero, conocido como entubado, que se cementa en posición mediante el bombeo de cemento en el interior de un anillo entre el entubado y la pared del pozo. Una vez que está en su posición un tramo de entubado, esto impone limitaciones sobre el diámetro de cualesquiera secciones subsiguientes del pozo, puesto que las brocas y cualquier entubado adicional para el revestimiento del pozo deben ser capaces de atravesar el entubado ya existente. Evidentemente, las reducciones en el diámetro del pozo son indeseables ya que, por ejemplo, esto limita el caudal de producción de hidrocarburos a través del pozo.

Es una operación conocida subescariar por debajo de una sección de entubado para aumentar el diámetro del pozo más allá del diámetro interior del entubado con el fin de, por ejemplo, crear un pozo de diámetro suficiente que permita un entubado de diámetro exterior sólo ligeramente menor que el diámetro interior del entubado existente para ser cementado en el pozo subescariado. Esto se consigue con una herramienta de subescariar que se caracteriza por unas cuchillas radialmente extensibles que inicialmente se retiran para permitir que la herramienta se haga correr en el interior del pozo en una cadena de perforación, y que luego se extienden una vez que la herramienta ha rebasado el extremo del entubado, a fin de que puedan comenzar la perforación y el subescariado.

En la actualidad se usan subescariadoras de formas diversas, aunque una serie de herramientas actuales han planteado algunos problemas significativos. Por ejemplo, en algunos casos las cuchillas de la subescariadora se han atascado en la configuración extendida, de tal manera que la subescariadora no se ha podido retirar a través del entubado actual. Por supuesto, esto impide que la cadena de perforación sobre la que está montada la subescariadora se extraiga del pozo; la rectificación de esta situación implica unos inconvenientes y unos gastos considerables.

El documento US 5014180 A describe un aparato de fresar con una cuchilla que se extiende radialmente bajo la acción del movimiento axial de un mandril.

Entre los objetivos de las realizaciones de aspectos del presente invento se encuentra obviar o mitigar este problema.

De acuerdo con el presente invento se provee una herramienta de corte para fondo de pozo para fijarla entre las secciones primera y segunda de una cadena de perforación, cuya herramienta comprende:

un mandril para acoplar a una primera sección de la cadena de perforación;

un cuerpo que se puede mover en dirección axial fijado en el mandril y para acoplar a una segunda sección de la cadena de perforación, por lo que la aplicación de peso a la cadena induce el movimiento axial del cuerpo con respecto al mandril;

medios que responden a la presión de un fluido para mover el cuerpo en dirección axial con respecto al mandril tras la aplicación de una fuerza de presión de un fluido entre el cuerpo y el mandril; y

una cuchilla extensible radialmente en dirección lineal fijada en el cuerpo y asociada operativamente con el mandril, de tal manera que el movimiento axial inducido del mandril y del cuerpo induce un movimiento radial de la cuchilla; induciéndose una extensión lineal radial de la cuchilla por la aplicación de peso a la cadena, e induciéndose la retirada de la cuchilla por la aplicación axial de tensión a la herramienta.

Este invento permite que la cuchilla se extienda por la acción de uno o de los dos pesos a la cadena y mediante la aplicación de presión de fluido, por ejemplo por la aplicación de una presión elevada al pozo de la herramienta. Así, usando una subescariadora de acuerdo con el invento, es posible escariar en circunstancias en las que una subescariadora que actuase únicamente por un peso aplicado plantearía dificultades; cuando se perforan y escarian formaciones blandas podría no ser posible aplicar suficiente peso para accionar las cuchillas extensibles, y cuando se "re-escarie" una sección del pozo no es posible aplicar peso a la cadena para comprimir una sección intermedia de la cadena.

La primera o la segunda sección de la cadena de perforación puede tomar la forma de una broca, es decir, la herramienta se puede fijar en el extremo de una cadena de perforación, y la broca se podría fijar directamente a la herramienta.

Más adelante se describen características preferidas del invento.

Preferiblemente, se provee una pluralidad de miembros, y con la máxima preferencia la herramienta está provista de tres miembros que se retiran y expanden al unísono.

Preferiblemente también, el mandril y el cuerpo definen un taladro pasante para permitir que pase a través del mismo el fluido de perforación, y cuando el miembro es una cuchilla, un conducto se puede extender desde el taladro pasante para permitir que el fluido se dirija hacia la cuchilla. El conducto puede estar provisto de una boquilla. Preferiblemente, el taladro pasante está cerrado inicialmente, y se abre por el movimiento relativo del mandril y del cuerpo que da lugar a la extensión de la cuchilla. Esto impide la pérdida innecesaria de fluido de perforación cuando no se acciona la herramienta, y la caída de presión que tiene lugar cuando se abre el conducto proporciona una indicación en superficie de que la cuchilla se ha extendido.

También preferiblemente, el mandril y el cuerpo están acoplados a rotación, cuyo acoplamiento permite el movimiento axial. Con la máxima preferencia, el acoplamiento está formado de partes hexagonales cooperantes, pero alternativamente podría estar definido por partes ranuradas.

Preferiblemente también, el mandril define una superficie de leva para cooperar con una cara interior del miembro. Como se ha hecho notar anteriormente, en ciertos aspectos preferidos del invento las caras del miembro y del mandril se acoplan de forma segura, de tal manera que el miembro se retira con seguridad y que la orientación del miembro se mantiene constante cuando el miembro se extiende y se retira.

Asimismo con carácter preferente, la parte del mandril acoplada a la cadena de perforación y la parte del mandril que define la superficie de leva son separables, y se acoplan mediante roscas cooperantes. La parte del mandril acoplada a la cadena se acopla a rotación al cuerpo. Al configurar las partes del mandril, la rosca no se lleva a tope, de tal manera que se permite un grado de rotación entre las partes de mandril. Esto impide que el par de torsión se transmita desde la cadena, a través del mandril hasta la superficie de leva y el miembro, lo que de no ser así resultaría en una desalineación de la leva y el miembro o en una desalineación entre la cuchilla y el cuerpo, y en el atascamiento del miembro.

Preferiblemente también, el mandril y el cuerpo están fijados inicialmente de forma liberable entre sí, por ejemplo por medio de uno o más pasadores cizallables; esto permite la manipulación de la cadena sin la activación de la herramienta. En particular, cuando la herramienta es una subescariadora y se desea perforar y escariar por debajo de un entubado existente, puede que sea necesario perforar en primer lugar a través de una zapata de entubado en el extremo inferior del entubado; la activación de una cuchilla extensible durante dicha operación de perforación resultaría en un daño al entubado actual. De acuerdo con ello, la zapata de entubado se puede perforar y el pozo perforarse más allá del extremo del entubado lo suficiente para acomodar la subescariadora antes de que se aplique peso adicional a la cadena para cizallar el pasador y activar la subescariadora.

Preferiblemente, uno o más miembros, tales como cuchillas u hojas cortantes, se fijan al mandril mediante ensambladuras en cola de milano o ranuras en T.

Tal como se usa en la presente memoria, el término "cadena de perforación" está destinado a abarcar cualquier forma apropiada de soporte para perforación, incluyendo la tubería de perforación y los tubos de bobina. Típicamente, las sub-escariadoras de acuerdo con el presente invento se fijarán en el extremo inferior de una cadena de perforación con la broca fijada directamente al extremo inferior de la sub-escariadora.

A continuación se describen a título de ejemplo los anteriores y otros aspectos del presente invento, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una vista en corte de una subescariadora de acuerdo con una realización preferida del presente invento, mostrada en una configuración inicial para desplazarse en el interior o desde un pozo;

La Figura 2 corresponde a la Figura 1, pero ilustra a la subescariadora en una configuración cortante;

La Figura 3 es una vista a escala ampliada de un casquillo de leva de un mandril de la subescariadora de la Figura 1;

La Figura 4 es una vista desde abajo del casquillo de leva de la Figura 3;

La Figura 5 es una vista a escala ampliada desde un extremo de una cuchilla de la subescariadora de la Figura 1; y

La Figura 6 es una vista desde debajo de la cuchilla de la Figura 5.

Se hace referencia en primer lugar a la Figura 1 de los dibujos, que ilustra una herramienta para fondo de pozo en la forma de una subescariadora 10 de acuerdo con una realización preferida del presente invento. La subescariadora 10 está destinada para fijarla en el extremo inferior de una cadena de perforación, y por ello tiene una conexión 12 de pasador para acoplarla al extremo inferior de la cadena de perforación, y una conexión 14 de caja para acoplar a una broca.

La subescariadora 10 comprende un mandril 16 para acoplarla al extremo inferior de la cadena de perforación, cuyo mandril 16 se extiende en el interior de un cuerpo tubular 18 para acoplarse a la broca. El mandril 16 y el cuerpo 18 definen colectivamente un taladro central pasante 20 para permitir el paso del lodo de perforación a la broca. El mandril 16 y el cuerpo 18 están acoplados a rotación por medio de una parte macho hexagonal 22 del mandril que engrana con una parte hembra hexagonal 24 del cuerpo. El mandril 16 y el cuerpo 18 pueden tener también un movimiento relativo en la dirección axial; sin embargo, inicialmente un pasador cizallable 26 impide dicho movimiento relativo axial.

El mandril 16 está escalonado hacia abajo en corte transversal a medida que se extiende a través del cuerpo 18, y proporciona una fijación para un casquillo 28 de leva que está roscado al mandril 16 y coopera con tres miembros extensibles en la forma de cuchillas 30 fijadas en respectivos orificios 32 del cuerpo. El casquillo 28 de leva se ha ilustrado con más detalle en las Figuras 3 y 4 de los dibujos, y se observará que cada una de las tres partes de superficie 34, 35 y 36 de leva tiene un perfil respectivo de cola de milano 38, 39, 40. Cada cuchilla 30, una de las cuales se muestra con más detalle en las Figuras 5 y 6 de los dibujos, define una ranura correspondiente 42 de cola de milano, para acoplarse con seguridad al respectivo perfil de cola de milano.

Como se muestra con máxima claridad en la Figura 4, el extremo inferior del casquillo de leva es en general triangular en corte transversal, mientras que la sección superior del casquillo 28 de leva es cilíndrica, y define unas acanaladuras anulares 44, 45 para acoplarse al pasador cizallable 26 y para alojar un obturador 47, respectivamente.

El extremo inferior del mandril 16 es de la forma de un tubo alargado, en acoplamiento deslizante hermético con el cuerpo 18, cuyo tubo define una serie de orificios 46 que inicialmente están cerrados por un tope 48 de leva fijado al cuerpo 18.

El cuerpo 18 comprende un sub-cuerpo superior 50 que define la parte hembra hexagonal 24 y que, en la configuración inicial de subescariadora ilustrada en la Figura 1, define un volumen 52 para acomodar el movimiento axial del mandril 16 en el interior del cuerpo 18. Inicialmente, el volumen 52 está lleno de grasa, inyectada a través de un orificio 54. El sub-cuerpo superior 50 incluye un pasador roscado 56 que se acopla con una caja correspondiente 58 definida por el extremo superior de una parte principal 60 del cuerpo 18. La parte 60 de cuerpo define los orificios 32 de cuchilla, cuyos orificios 32 son rectangulares y están igualmente espaciados a intervalos de 120º alrededor del cuerpo.

Como se puede ver en las Figuras 5 y 6 de los dibujos, cada cuchilla 30, para su emplazamiento en un orificio respectivo 32, define una ranura periférica para alojar una junta tórica 64 (Figura 1) que sirve para acoplar herméticamente la pared del orificio. Además, el filo de ataque inferior de cada cuchilla lleva unas piezas insertadas endurecidas 66, si se desea. El filo de ataque superior 68 de la cuchilla puede definir también una cara cortante, para facilitar el escariado posterior.

Una sub-pieza inferior 70 que define un pasador roscado 72 se acopla con una caja correspondiente 74 en el extremo inferior del cuerpo principal 60, estando sujeto el tope 48 de leva entre la sub-pieza inferior 70 y el cuerpo principal 60 y retenida contra la rotación por un pasador 76 que se extiende a través del extremo inferior del cuerpo 60. El tope 48 de leva define una cámara anular 78 alrededor del extremo inferior del mandril 16, y unos conductos 80 se extienden desde la cámara 78 hacia arriba a través del tope 48 de leva y cuerpo principal 60, para salir por debajo de la cuchilla 30, estando provisto cada conducto 80 de una boquilla insertada 82.

En uso, la subescariadora 10 está fijada en el extremo inferior de una cadena de perforación, con la broca acoplada al extremo inferior del cuerpo 18. La sub-escariadora 10 y la broca se desplazan a través de un tramo de entubado actual, y la broca se puede utilizar para perforar a través de la zapata de entubado. La perforación puede continuar luego más allá del extremo del entubado, hasta que al menos las cuchillas 30 estén situadas debajo del extremo del entubado. Si se aplica suficiente peso adicional a la cadena en este punto, el pasador 26 se cizalla, permitiendo que el mandril 16 se mueva hacia abajo en el interior del cuerpo 18, actuando el casquillo 28 de leva para impulsar a las cuchillas radialmente hacia fuera, hasta la configuración ilustrada en la Figura 2 de los dibujos. Adicionalmente, un orificio 86 de presión se extiende entre el taladro pasante 20 y un volumen 88 entre el mandril 16 y el cuerpo 18, estando aislado el volumen 88 por los obturadores 90, 91, 92. La presión de fluido que actúa dentro del volumen 88 sirve para crear una fuerza de presión, que es una función de la diferencia entre la presión interna de la herramienta y la presión del anillo, multiplicada por la diferencia entre el área A y el área B. Esta fuerza tiende a levantar el cuerpo 18 sobre el mandril 16, contribuyendo así también a la extensión de las cuchillas 30.

En el mandril 16 que se mueve en el interior del cuerpo 18, los orificios 46 de mandril se mueven en comunicación con la cámara 78 de tope de leva, permitiendo circular al lodo de perforación, desde la subescariadora a través del taladro 20, a través de las boquillas 82. Esto crea una caída de presión en la presión interna de la herramienta, que es detectable en la superficie y proporciona una indicación segura de que se han extendido las cuchillas 30.

Al girar la cadena de perforación, la subescariadora gira y, siguiendo a la broca, escaria el taladro perforado hasta un diámetro correspondiente al diámetro exterior descrito por las cuchillas extendidas 30.

Al configurar el mandril 16 con respecto al casquillo 28 de leva durante el ensamblaje de la herramienta, la rosca de unión no se lleva a tope. De acuerdo con ello, cuando se aplica el par de torsión al mandril 16, el "juego libre" entre el mandril 16 y el casquillo 28 de leva impide que se aplique ningún par de torsión sustancial al casquillo 28 de leva, y que de ese modo se transfiera a las cuchillas 30; en ausencia de dicha disposición, es posible que las levas y las cuchillas se agarroten, o que las cuchillas se agarroten en los orificios 32.

Si la broca está atravesando una formación relativamente blanda, puede que sea difícil aplicar un peso significativo a la broca. Sin embargo, como el mandril 16 y el cuerpo 18 son móviles para extender las cuchillas bajo la influencia tanto del peso como de la presión de fluido, las cuchillas permanecerán extendidas en esta situación.

Cuando las operaciones de perforación y escariado han terminado, y la broca se ha levantado y separado del fondo y se han parado las bombas de extracción de lodo, el mandril 16 tenderá a sufrir un esfuerzo de tracción que lo separe del cuerpo 18. Como el casquillo 28 de leva se acopla con seguridad a la cuchillas 30, esto resulta en que las cuchillas se retiran de un modo seguro, en lugar de fiarse de fuerzas aplicadas externamente. Sin embargo, si las cuchillas 30 no se retiran, por ejemplo el mandril y el cuerpo no se separan axialmente bajo la influencia de la masa del cuerpo y de la broca, y la subescariadora 10 se eleva con las cuchillas 30 extendidas, al encontrarse la subescariadora con una restricción del pozo, tal como el fondo de una sección del entubado actual, las cuchillas 30 se engancharán con el entubado y darán lugar a que se aplique tensión entre el mandril y el cuerpo, cuya tensión causará que el mandril se retire por tracción del cuerpo 18 y que las cuchillas 30 se retiren.

La extensión y retirada de las cuchillas 30 se controla con precisión mediante la presencia de los perfiles y ranuras de cola de milano en el casquillo 28 de leva y cuchillas 30, y existen muy pocas oportunidades, si es que hay alguna, de que las cuchillas 30 se lleguen a amartillar y por tanto a que se atasquen en los orificios respectivos 32 del cuerpo.

A partir de la descripción anterior, a los expertos en la técnica les resultará evidente que la subescariadora anteriormente descrita supera muchas de las desventajas de las subescariadoras actuales.

Adicionalmente, a los expertos en la técnica les resultará evidente que la realización anteriormente descrita es simplemente un ejemplo del presente invento, y que se pueden introducir en el mismo diversas modificaciones y perfeccionamientos, sin apartarse del alcance del invento. Por ejemplo, uno o más aspectos del presente invento se pueden emplear también útilmente en otras herramientas de fondo de pozo, tales como los estabilizadores expansibles.

Claims (17)

1. Una herramienta (10) de corte para fondo de pozo para fijarla entre unas secciones primera y segunda de una cadena de perforación, cuya herramienta comprende:

un mandril (16) para acoplar a una primera sección de cadena de perforación;

un cuerpo (18) desplazable axialmente fijado en el mandril (16) y para acoplar a una segunda sección de cadena de perforación, por lo que la aplicación de peso a la cadena induce un movimiento axial del cuerpo (18) con respecto al mandril (16);

unos medios (88) que responden a la presión de un fluido para mover el cuerpo (18) axialmente con respecto al mandril (16) tras la aplicación de una fuerza de presión de un fluido entre el cuerpo (18) y el mandril (16); y

una cuchilla (30) extensible radialmente en dirección lineal fijada en el cuerpo (18) y que está asociada operativamente con el mandril (16), de tal manera que el movimiento axial relativo del mandril (16) y del cuerpo (18) induce el movimiento radial de la cuchilla (30), induciéndose la extensión radial lineal de la cuchilla (30) por la aplicación de peso a la cadena, e induciéndose la retirada de la cuchilla (30) por la aplicación de una tensión axial a la herramienta.

2. La herramienta de reivindicación 1, en la que el mandril (16) incluye medios para tirar de la cuchilla (30) hacia dentro con el fin de permitir la retirada segura de la cuchilla (30) desde una configuración extendida.

3. La herramienta de la reivindicación 2, en la que dichos medios comprenden una acanaladura (42) y un perfil (38, 39, 40) que coopera con ella.

4. La herramienta de la reivindicación 3, en la que dichos medios comprenden una acanaladura socavada (42) y el perfil correspondiente (38, 39, 40).

5. La herramienta de la reivindicación 4, en la que dicha acanaladura (42) tiene una configuración de cola de milano.

6. La herramienta de las reivindicaciones precedentes, en la que el cuerpo (18) define un canal (32) y el mandril (16) y la cuchilla (30) incluyen medios (38, 39, 40, 42) para mantener una orientación deseada de la cuchilla (30) con respecto al canal (32) de cuerpo.

7. La herramienta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el cuerpo (18) define una abertura (32) para acomodar la cuchilla (30).

8. La herramienta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que se ha provisto una pluralidad de cuchillas (30).

9. La herramienta de la reivindicación 8, en la que la herramienta está provista de tres cuchillas (30) que se retiran y expanden al unísono.

10. La herramienta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el mandril (16) y el cuerpo (18) definen un taladro pasante (20) para permitir el paso de fluido a través del mismo.

11. La herramienta de la reivindicación 10, en la que un conducto (80) se extiende desde el taladro pasante para permitir que se dirija un fluido hacia la cuchilla (30).

12. La herramienta de la reivindicación 11, en la que el conducto (80) está cerrado inicialmente y se abre por el movimiento relativo del mandril (16) y cuerpo (18) resultando en la extensión de la cuchilla (30).

13. La herramienta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el mandril (16) y el cuerpo (18) están acoplados a rotación, cuyo acoplamiento permite el movimiento axial entre los mismos.

14. La herramienta de la reivindicación 13, en la que el acoplamiento está formado de partes hexagonales (22, 24) que cooperan.

15. La herramienta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el mandril (16) define una superficie (34, 35, 36) de leva para cooperar con una cara interior de la cuchilla (30).

16. La herramienta de la reivindicación 15, en la que la parte del mandril (16) acoplada a la cadena de perforación y la parte del mandril (28) que define la superficie (34, 35, 36) de leva son separables, y se acoplan mediante roscas cooperantes.

17. La herramienta de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el mandril (16) y el cuerpo (18) están fijados inicialmente de forma liberable uno con respecto al otro para permitir la manipulación de la cadena sin la activación de la herramienta.