RU2795754C1

RU2795754C1 - Cutting tool layout for casing section milling in horizontal wells using bottom to top method

Info

Publication number: RU2795754C1
Application number: RU2022124773A
Authority: RU
Inventors: Наиль Мулахметович Абдуллин; Никита Владимирович Сумнительный
Original assignee: Наиль Мулахметович Абдуллин; Никита Владимирович Сумнительный
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2023-05-11

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention can be used in the construction and renovation of wells. The layout of the cutting tool is designed for milling a section of a cemented casing string in horizontal as well as in slanted wells with large zenith angles. The assembly of the cutting tool is attached to the lower end of the drill string and consists of two or more housing centralizers, a cardan-hinged assembly, an installation nozzle, a cardan-articulated assembly, two or more sliding hydraulic centralizers and a sliding hydraulic expander. The cardan-articulated assembly consists of two shaped coupling halves, between which a ball-shaped bushing with a central axial channel is installed. On the outer surface of the bushing, evenly along its circumference, pins are fixed, the axes of which lie in the diametrical plane of the bushing, perpendicular to its central axial channel, and intersect with the axis of the latter. Shaped half-couplings have the form of a hollow cylinder with a stepped outer side surface and a central axial channel, in which a connecting thread is made on one side, and on the opposite side, there is an internal annular bore for placing a disk spring and a seat in it, as well as two racks with coaxial through channels. The saddles are pressed against the outer surface of the sleeve by Belleville springs. The axis of the through channels in the stands of the shaped coupling half is perpendicular to the axis of its central axial channel and intersects with it. The sleeve is pivotally connected to the stands of two shaped coupling halves by means of trunnions, which are placed in the through channels of the stands with the possibility of free axial rotation. Connecting threads are made at the ends of the installation pipe, corresponding to the connecting thread on the shaped half-couplings.

EFFECT: increased reliability and efficiency of the cutting tool assembly when milling a section of the casing string using the bottom to top method in the horizontal area of the wellbore.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при строительстве и капитальном ремонте скважин в случае необходимости фрезерования (полного удаления) участка зацементированной обсадной колонны. Предложенная компоновка вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны предназначена, преимущественно, для горизонтальных, а также наклонно направленных скважин с большим зенитным углом.The invention relates to the oil and gas industry and can be used in the construction and workover of wells, if necessary, milling (complete removal) section of the cemented casing string. The proposed layout of the cutting tool for milling a section of the casing string is intended mainly for horizontal as well as directional wells with a large zenith angle.

В практических условиях потребность фрезерования заданного участка зацементированной обсадной колонны наиболее часто возникает при выполнении капитального ремонта скважин. Удаление участка обсадной колонны является сложной технической задачей, особенно в интервалах перфорации, смятия, порыва обсадной колонны, в местах размещения муфтовых соединений труб и т.д. В большинстве случаев, участок обсадной колонны, который подлежит фрезерованию, располагается в ее нижней части (т.е. у искусственного забоя скважины).In practical terms, the need for milling a given section of a cemented casing string most often arises during well workover. Removing a section of casing string is a difficult technical task, especially in the intervals of perforation, collapse, gust of the casing string, in the locations of pipe couplings, etc. In most cases, the section of the casing that is to be milled is located in its lower part (i.e. at the artificial bottom of the well).

Фрезерование участка обсадной колонны чаще всего осуществляют роторным способом, обеспечивая при этом вращение бурильной колонны с присоединенной к ее нижнему концу компоновкой вырезающего инструмента, включающей в себя раздвижной гидравлический расширитель. При этом бурильную колонну с компоновкой вырезающего инструмента плавно перемещают в осевом направлении по стволу скважины в направлении «сверху-вниз» или «снизу-вверх».Milling of a section of the casing string is most often carried out in a rotary manner, while ensuring the rotation of the drill string with a cutting tool assembly attached to its lower end, which includes a sliding hydraulic expander. In this case, the drill string with the layout of the cutting tool is smoothly moved in the axial direction along the wellbore in the "top-down" or "bottom-up" direction.

Принципиальная разница заключается в том, что при использовании метода «сверху-вниз» нижняя часть бурильной колонны находится в сжатом состоянии, а при использовании метода «снизу-вверх» - в растянутом.The fundamental difference is that when using the "top-down" method, the lower part of the drill string is in a compressed state, and when using the "bottom-up" method, it is in tension.

Необходимо отметить, что эффективность фрезерования участка обсадной колонны при использовании того или иного метода зависит, главным образом, от качества центрирования раздвижного расширителя внутри обсадной колонны, а также от стабильности величин осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на его резцы. Отмечено, что работа раздвижного расширителя в эксцентричных условиях приводит к быстрому износу резцов и даже к их поломке.It should be noted that the efficiency of milling a section of the casing string using one or another method depends mainly on the quality of centering the retractable expander inside the casing string, as well as on the stability of the axial load and torque transmitted to its cutters. It is noted that the operation of a sliding expander in eccentric conditions leads to rapid wear of the cutters and even to their breakage.

В настоящее время при фрезеровании участка обсадной колонны, в подавляющем большинстве случаев, используется метод «сверху-вниз», который наиболее прост с точки зрения технического оснащения и технологического исполнения. В процессе фрезерования заданного участка обсадной колонны методом «сверху-вниз» вращаемая ротором бурильная колонна с присоединенной к ее нижнему концу компоновкой вырезающего инструмента при помощи талевой системы буровой установки плавно перемещается в направлении к забою скважины. Требуемая осевая нагрузка на резцы раздвижного расширителя обеспечивается путем частичной разгрузки веса бурильной колонны, нижняя часть которой в процессе фрезерования участка обсадной колонны постоянно находится в сжатом состоянии.Currently, when milling a section of the casing string, in the vast majority of cases, the “top-down” method is used, which is the simplest in terms of technical equipment and technological execution. In the process of milling a given section of the casing by the "top-down" method, the drill string rotated by the rotor with the cutting tool assembly attached to its lower end is smoothly moved towards the bottom of the well by means of the traveling system of the drilling rig. The required axial load on the cutters of the retractable reaming tool is provided by partially unloading the weight of the drill string, the lower part of which is constantly in a compressed state during the milling of the casing section.

Основные трудности при фрезеровании участка обсадной колонны методом «сверху-вниз» заключаются в сложности поддержания стабильных величин осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на резцы раздвижного расширителя. В вертикальных, а также в наклонно направленных скважинах с небольшим зенитным углом для создания требуемой осевой нагрузки на резцы раздвижного расширителя используют утяжеленные бурильные трубы (УБТ). При вращении бурильной колонны УБТ, в определенной степени, выполняют роль маховика, способствующего поддержанию стабильности передаваемого на резцы крутящего момента. А обеспечение соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны достигается путем размещения в составе нижней части бурильной колонны и компоновке вырезающего инструмента корпусных (с постоянным наружным диаметром) и/или раздвижных гидравлических центраторов.The main difficulty in milling a section of the casing using the "top-down" method lies in the difficulty of maintaining stable values of axial load and torque transmitted to the cutters of the expanding reamer. In vertical, as well as in directional wells with a small zenith angle, to create the required axial load on the cutters of the retractable reamer, drill collars (DCs) are used. When the drill string rotates, the drill collars, to a certain extent, play the role of a flywheel, which helps to maintain the stability of the torque transmitted to the cutters. And ensuring the coaxiality of the retractable expander and the casing string is achieved by placing casing (with a constant outer diameter) and / or sliding hydraulic centralizers in the lower part of the drill string and the layout of the cutting tool.

В горизонтальных скважинах сложность центрирования раздвижного расширителя внутри обсадной колонны, а также поддержания стабильности осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на его резцы, возрастает многократно, поскольку нижняя часть бурильной колонны вместе с компоновкой вырезающего инструмента лежит на стенке обсадной колонны. В случае работы раздвижного расширителя в горизонтальном интервале ствола УБТ не используются. Основным препятствием для поддержания стабильного уровня осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на резцы раздвижного расширителя, являются силы сопротивления осевому перемещению и вращению бурильной колонны внутри обсадной колонны. Преодоление этих сил неизбежно сопровождается повышением сжимающих усилий и крутящего момента в бурильной колонне. Наиболее опасным следствием является локальная потеря продольной устойчивости бурильной колонны, которая принимает форму плоской синусоиды, а затем, по мере увеличения сжимающей нагрузки, переходит в пространственную спираль. Кроме того, увеличение сжимающих нагрузок сопровождается прогрессирующим ростом усилий, прижимающих бурильную колонну к стенке обсадной колонны. Из-за этого недостатки метода «сверху-вниз» наиболее активно проявляются именно на горизонтальном участке ствола скважины, когда нижняя часть бурильной колонны вместе с компоновкой вырезающего инструмента лежит на стенке обсадной колонны. Следует добавить, что, в случае использования метода «сверху-вниз», установленные выше раздвижного расширителя раздвижные центраторы, по мере увеличения протяженности вырезанного участка обсадной колонны, начинают поочередно перемещаться из обсадной колонны в открытый ствол скважины, где фактически перестают выполнять свои функции.In horizontal wells, the complexity of centering the expandable reamer inside the casing, as well as maintaining the stability of the axial load and torque transmitted to its cutters, increases many times over, since the lower part of the drill string, together with the layout of the cutting tool, lies on the wall of the casing string. In the case of operation of a retractable expander in the horizontal interval of the shaft, collars are not used. The main obstacle to maintaining a stable level of axial load and torque transmitted to the cutters of the expandable underreamer are the forces of resistance to axial movement and rotation of the drill string inside the casing string. Overcoming these forces is inevitably accompanied by an increase in compressive forces and torque in the drill string. The most dangerous consequence is the local loss of longitudinal stability of the drill string, which takes the form of a flat sinusoid, and then, as the compressive load increases, it turns into a spatial spiral. In addition, an increase in compressive loads is accompanied by a progressive increase in forces pressing the drill string against the casing string wall. Because of this, the disadvantages of the "top-down" method are most actively manifested precisely in the horizontal section of the wellbore, when the lower part of the drill string, together with the layout of the cutting tool, lies on the casing string wall. It should be added that, in the case of using the “top-down” method, the sliding centralizers installed above the expandable underreamer, as the length of the cut section of the casing string increases, begin to alternately move from the casing string to the open wellbore, where they actually cease to perform their functions.

При использовании метода «снизу-вверх» осуществить качественное центрирование компоновки вырезающего инструмента с раздвижным расширителем внутри обсадной колонны гораздо проще, поскольку в процессе фрезерования раздвижные центраторы, установленные над раздвижным расширителем, постоянно находятся во внутренней полости обсадной колонны.When using the “bottom-up” method, it is much easier to perform a high-quality centering of the cutting tool assembly with an expandable reamer inside the casing string, since during the milling process the expandable centralizers installed above the expandable reamer are constantly in the inner cavity of the casing string.

Эффективность процесса фрезерования участка обсадной колонны методом «снизу-вверх» значительно выше, однако требует дополнительного размещения на устье скважины специального подъемного устройства, которое должно обеспечивать возможность непрерывного плавного подъема бурильной колонны с заданной скоростью. Последняя зависит от многих факторов (в т.ч. от толщины стенки и прочностных свойств обсадной колонны, частоты вращения ротора, количества резцов раздвижного расширителя, режима резания и др.) и в практических условиях исчисляется десятыми долями мм/с. В качестве специального подъемного устройства можно использовать, к примеру, силовой гидроцилиндр, гидравлически связанный с насосной станцией и регулируемым штуцером. При выполнении фрезерования обсадной колонны силовой гидроцилиндр размещается между крюком талевой системы буровой установки и верхним концом бурильной колонны.The efficiency of the process of milling a section of the casing string using the “bottom-up” method is much higher, however, it requires additional placement of a special lifting device at the wellhead, which should provide the possibility of continuous smooth lifting of the drill string at a given speed. The latter depends on many factors (including the wall thickness and strength properties of the casing string, the rotor speed, the number of retractable reaming cutters, the cutting mode, etc.) and in practical conditions is calculated in tenths of mm/s. As a special lifting device, you can use, for example, a power hydraulic cylinder hydraulically connected to a pumping station and an adjustable fitting. When milling the casing string, the power hydraulic cylinder is placed between the hook of the traveling system of the drilling rig and the upper end of the drill string.

Необходимость привлечения специального подъемного устройства обусловлено тем, что талевая система буровой установки не позволяет осуществлять непрерывный плавный подъем бурильной колонны с упомянутой скоростью. По указанной причине в настоящий момент метод «снизу-вверх» имеет ограниченное распространение и используется, преимущественно, в морских скважинах для отрезания зацементированных обсадных колонн перед их извлечением на поверхность. Однако как показывает анализ накопленного практического опыта, в случае использования метода «снизу-вверх» обеспечить эффективную работу раздвижного расширителя посредством поддержания стабильности осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на его резцы, гораздо проще.The need to involve a special lifting device is due to the fact that the traveling system of the drilling rig does not allow continuous smooth lifting of the drill string at the mentioned speed. For this reason, the bottom-up method is currently of limited use and is used primarily in offshore wells to cut off cemented casing strings before they are brought to the surface. However, as the analysis of accumulated practical experience shows, in the case of using the “bottom-up” method, it is much easier to ensure the efficient operation of the expander by maintaining the stability of the axial load and torque transmitted to its cutters.

В процессе фрезерования участка обсадной колонны в горизонтальном интервале ствола скважины добиться необходимой степени соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны любым методом достаточно сложно. Этому, в первую очередь, препятствует жесткое резьбовое соединение отдельных узлов компоновки вырезающего инструмента и нижней части бурильной колонны.In the process of milling a section of the casing string in the horizontal interval of the wellbore, it is rather difficult to achieve the required degree of coaxiality of the expandable expander and the casing string by any method. This, first of all, is prevented by a rigid threaded connection of individual assemblies of the cutting tool and the lower part of the drill string.

В горизонтальном интервале ствола скважины соосность обсадной колонны и компоновки вырезающего инструмента достигается посредством установки в последней корпусных и/или раздвижных центраторов. При этом корпусные центраторы не оказывают существенного влияния, так как их наружный диаметр меньше внутреннего диаметра обсадной колонны. Однако корпусные центраторы облегчают возможность перемещения нижней части бурильной колонны с компоновкой вырезающего инструмента по обсадной колонне в горизонтальном интервале ствола скважины, а также улучшает условия его промывки и выноса шлама.In the horizontal interval of the wellbore, the alignment of the casing string and the cutting tool assembly is achieved by installing casing and/or sliding centralizers in the latter. At the same time, casing centralizers do not have a significant effect, since their outer diameter is smaller than the inner diameter of the casing string. However, housing centralizers make it easier to move the lower part of the drill string with the layout of the cutting tool along the casing string in the horizontal interval of the wellbore, and also improve the conditions for flushing it and removing cuttings.

Добиться положительного результата при центрировании компоновки вырезающего инструмента в горизонтальном интервале ствола скважины путем размещения раздвижных гидравлических центраторов также достаточно сложно из-за значительной массы и жесткости резьбовых соединений нижней части бурильной колонны и компоновки вырезающего инструмента. Кроме того, эффективность работы раздвижных гидравлических центраторов определяются, главным образом, величиной избыточного давления промывочной жидкости, создаваемого в бурильной колонне, которая в значительной степени ограничена прочностными характеристиками последней, техническими возможностями наземного насосного оборудования и др. Поэтому установка даже нескольких раздвижных гидравлических центраторов может оказаться недостаточной для обеспечения качественного центрирования компоновки вырезающего инструмента внутри обсадной колонны.It is also quite difficult to achieve a positive result when centering the cutting tool assembly in the horizontal interval of the wellbore by placing sliding hydraulic centralizers due to the significant mass and rigidity of the threaded connections of the lower part of the drill string and the cutting tool assembly. In addition, the operating efficiency of sliding hydraulic centralizers is determined mainly by the amount of excess pressure of the flushing fluid created in the drill string, which is largely limited by the strength characteristics of the latter, the technical capabilities of surface pumping equipment, etc. Therefore, the installation of even several sliding hydraulic centralizers may turn out to be insufficient to ensure high-quality centering of the layout of the cutting tool inside the casing.

Тем не менее, раздвижные центраторы, установленные в составе компоновки вырезающего инструмента непосредственно над раздвижным расширителем, способны активно влиять на качество центрирования последнего внутри обсадной колонны. В данном случае необходимо учитывать, что при фрезеровании участка обсадной колонны метода «снизу-вверх» нижняя часть бурильной колонны вместе с компоновкой вырезающего инструмента находятся в растянутом состоянии, а режущие лопасти раздвижного расширителя в рабочем положении установлены, как правило, под углом 35-50° к его оси. В результате совокупного влияния этих факторов происходит самопроизвольное центрирование вращающихся режущих лопастей относительно оси обсадной колонны, что способствуют достижению соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны.However, expandable centralizers installed as part of the cutting tool assembly directly above the expandable underreamer can actively influence the quality of the centering of the latter inside the casing string. In this case, it should be taken into account that when milling a section of the casing string using the “bottom-up” method, the lower part of the drill string, together with the layout of the cutting tool, is in a stretched state, and the cutting blades of the retractable reamer in the working position are usually set at an angle of 35-50 ° to its axis. As a result of the combined influence of these factors, the rotating cutting blades are spontaneously centered relative to the axis of the casing, which contributes to the achievement of coaxiality of the retractable expander and the casing.

Известна компоновка устройства УВУ конструкции ВНИИБТ для вырезания участка обсадных труб в скважине, включающая верхний направляющий (пружинный) центратор, раздвижной гидравлический расширитель с резцами, нижний направляющий (пружинный) центратор и направляющий наконечник [1]. При использовании известной компоновки устройства УВУ фрезерование участка обсадной колонны осуществляется методом «сверху-вниз».Known layout of the device UVU design VNIIBT for cutting a section of casing pipes in a well, including the upper guide (spring) centralizer, sliding hydraulic expander with cutters, lower guide (spring) centralizer and guide tip [1]. When using the well-known layout of the device UVU milling section of the casing string is carried out by the method of "top-down".

Недостатки известной компоновки устройства УВУ заключаются в низкой надежности и эффективности его работы при высоких значениях крутящего момента и осевой нагрузки на резцы раздвижного расширителя, главным образом, из-за недостаточной степени центрирования последнего внутри обсадной колонны.The disadvantages of the known arrangement of the device UVU lie in the low reliability and efficiency of its operation at high values of torque and axial load on the cutters of the retractable expander, mainly due to the insufficient degree of centering of the latter inside the casing string.

Известна компоновка устройства для вырезания участка обсадных труб в скважине [2]. Известная компоновка устройства для вырезания участка обсадных труб предназначена для использования, в первую очередь, в вертикальных скважинах, обсаженных двумя-тремя колоннами с несоосно зацементированными и частично деформированными обсадными трубами, а также в скважинах с большой кривизной обсадных колонн.Known layout of the device for cutting section of the casing in the well [2]. The known layout of the device for cutting a section of casing is intended for use, first of all, in vertical wells, cased with two or three strings with misaligned cemented and partially deformed casing, as well as in wells with a large curvature of the casing strings.

Известная компоновка устройства для вырезания участка обсадных труб присоединена к нижнему концу бурильной колонны и включает в себя последовательно расположенные в осевом направлении от устья к забою скважины и соединенные посредством резьбовых соединений следующие узлы: предохранительный нагрузочный узел, верхний пружинный центратор, верхний угловой компенсатор, раздвижной гидравлический расширитель с резцами, раздвижной гидравлический центратор, нижний угловой компенсатор, нижний пружинный центратор и направляющий наконечник. Вырезание участка обсадной колонны при этом осуществляется методом «сверху-вниз».The well-known layout of the device for cutting a section of casing pipes is attached to the lower end of the drill string and includes the following nodes sequentially located in the axial direction from the wellhead to the bottom of the well and connected by means of threaded connections: safety load assembly, upper spring centralizer, upper angular compensator, sliding hydraulic reamer with cutters, sliding hydraulic centralizer, lower angle compensator, lower spring centralizer and guide tip. Cutting out a section of the casing in this case is carried out using the "top-down" method.

Предохранительный нагрузочный узел срабатывает при превышении осевой нагрузки на резцы или величины крутящего момента и переводит бурильную колонну в режим холостого вращения. Верхний и нижний угловые компенсаторы должны компенсировать несоосность бурильной и обсадной колонн с целью обеспечения надежной работы резцов раздвижного гидравлического расширителя. Угловой компенсатор выполнен в виде карданно-шарнирного герметичного муфтового узла, позволяющего прокачивать через него промывочную жидкость, а также передавать на резцы раздвижного гидравлического расширителя требуемую осевую нагрузку и крутящий момент. Конкретное конструктивное исполнение углового компенсатора в указанном источнике информации отсутствует.The safety load unit is triggered when the axial load on the cutters or the torque value is exceeded and switches the drill string to the idle rotation mode. The upper and lower angle compensators must compensate for the misalignment of the drill string and casing in order to ensure reliable operation of the expandable hydraulic reamer cutters. The angular compensator is made in the form of a cardan-hinged sealed coupling unit, which allows pumping flushing fluid through it, as well as transmitting the required axial load and torque to the cutters of the sliding hydraulic expander. There is no specific design of the angular compensator in the specified source of information.

Основным недостатком известной компоновки устройства для вырезания участка обсадных труб является ее недостаточная эффективность и надежность в случае работы в наклонно направленных скважинах с большими зенитными углами и, тем более, в горизонтальных. Пружинные верхний и нижний, а также раздвижной гидравлический центраторы не позволяют обеспечить достаточную степень соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны, что может привести к быстрому износу резцов и, возможно, к их поломке. Размещение под раздвижным расширителем раздвижного гидравлического центратора, нижнего углового компенсатора, нижнего пружинного центратора и направляющего наконечника ограничивает возможность использования известной компоновки вблизи искусственного забоя скважины. Кроме того, конструктивные особенности известной компоновки не позволяют осуществить фрезерование участка обсадной колонны методом «снизу-вверх».The main disadvantage of the known arrangement of the device for cutting out a section of the casing is its lack of efficiency and reliability in case of operation in directional wells with large zenith angles, and even more so in horizontal ones. Spring-loaded top and bottom, as well as a retractable hydraulic centralizers do not provide a sufficient degree of coaxiality of the retractable reamer and casing, which can lead to rapid wear of the cutters and, possibly, to their breakage. Placement of a sliding hydraulic centralizer, a lower angular compensator, a lower spring centralizer and a guide tip under the retractable expander limits the possibility of using the known layout near the artificial bottom hole. In addition, the design features of the known layout do not allow milling the section of the casing by the "bottom-up" method.

Известна компоновка инструмента для расширения ствола скважины методом «снизу-вверх» [3], которая может быть предложена в качестве прототипа. Указанная компоновка инструмента присоединена к нижней части бурильной колонны и включает последовательно размещенные в осевом направлении от устья к забою скважины: корпусные центраторы, раздвижные гидравлические центраторы с опорными элементами в виде лыж, раздвижной гидравлический расширитель с режущими лопастями, раздвижной гидравлический стабилизатор с дросселирующим узлом и наконечник с промывочным каналом. В частном случае, между наконечником и раздвижным стабилизатором может быть дополнительно размещен корпусной центратор.Known layout of the tool for expanding the wellbore by the method of "bottom-up" [3], which can be proposed as a prototype. The specified tool assembly is attached to the bottom of the drill string and includes sequentially placed in the axial direction from the wellhead to the bottom of the well: body centralizers, sliding hydraulic centralizers with support elements in the form of skis, a sliding hydraulic expander with cutting blades, a sliding hydraulic stabilizer with a throttling assembly and a tip with flush channel. In a particular case, a housing centralizer can be additionally placed between the tip and the sliding stabilizer.

В процессе работы корпус раздвижного центратора вращается вместе с бурильной колонной, а его опорные элементы перемещаются внутри обсадной колонны только в осевом направлении. Режущие лопасти раздвижного гидравлического расширителя, которые в рабочем положении располагаются под углом 40-45° к его оси, в процессе расширения ствола скважины способствуют достижению соосности раздвижного расширителя и обсадной колонны.During operation, the body of the sliding centralizer rotates together with the drill string, and its supporting elements move inside the casing string only in the axial direction. The cutting blades of the expandable hydraulic expander, which in the working position are located at an angle of 40-45° to its axis, in the process of expanding the wellbore, contribute to achieving coaxiality of the expandable expander and the casing string.

Центрирование раздвижного гидравлического расширителя внутри обсадной колонны достигается посредством размещения в составе компоновки корпусных и раздвижных центраторов. Раздвижной гидравлический стабилизатор в процессе фрезерования обсадной колонны может размещаться как в последней, так и в открытом стволе скважины. В первом случае раздвижной гидравлический стабилизатор выполняет те же функции, что и раздвижной гидравлический центратор, а во втором случае -обеспечивает дополнительное центрирование раздвижного гидравлического расширителя. Но, из-за неравномерности диаметра открытого ствола и конструктивных особенностей раздвижного гидравлического стабилизатора, эффективность его применения не слишком высока.The centering of the expandable hydraulic expander inside the casing string is achieved by placing casing and expandable centralizers in the assembly. A retractable hydraulic stabilizer during casing milling can be placed both in the last and in the open hole of the well. In the first case, the sliding hydraulic stabilizer performs the same functions as the sliding hydraulic centralizer, and in the second case, it provides additional centering of the sliding hydraulic expander. But, due to the uneven diameter of the open hole and the design features of the sliding hydraulic stabilizer, the efficiency of its use is not too high.

Основным недостатком известной компоновки инструмента для расширения ствола скважины методом «снизу-вверх» является ее недостаточная надежность и эффективность при работе в горизонтальном интервале ствола скважины. Причина обусловлена значительной массой и жесткостью соединения узлов компоновки инструмента и нижней части бурильной колонны, затрудняющими возможность качественного центрирования раздвижного расширителя внутри обсадной колонны. Данное обстоятельство, в свою очередь, негативно отражается на эффективности и надежности работы раздвижного расширителя. Помимо этого, размещение под раздвижным расширителем раздвижного гидравлического стабилизатора с дросселирующим узлом и наконечника с промывочным каналом ограничивает возможность фрезерования участка обсадной колонны, расположенного вблизи от искусственного забоя скважины.The main disadvantage of the known layout of the tool for expanding the wellbore using the "bottom-up" method is its lack of reliability and efficiency when operating in the horizontal interval of the wellbore. The reason is due to the significant mass and rigidity of the connection of the assembly components of the tool and the lower part of the drill string, which makes it difficult to center the retractable expander inside the casing. This circumstance, in turn, negatively affects the efficiency and reliability of the expander. In addition, the placement of a sliding hydraulic stabilizer with a throttling assembly and a tip with a flushing channel under the expander limits the possibility of milling the section of the casing string located close to the artificial bottom hole.

Задачей предложенного изобретения является получение технического результата, выражающегося в повышении надежности и эффективности работы компоновки вырезающего инструмента при фрезеровании участка обсадной колонны методом «снизу-вверх» в горизонтальном интервале ствола скважины.The objective of the proposed invention is to obtain a technical result, which is expressed in increasing the reliability and efficiency of the cutting tool assembly when milling a section of the casing string using the "bottom-up" method in the horizontal interval of the wellbore.

Задача решается и технический результат достигается тем, что компоновка вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны методом «снизу-вверх» в горизонтальных скважинах снабжена установочным патрубком и двумя карданно-шарнирными узлами с фигурными полумуфтами, втулками, цапфами, седлами и тарельчатыми пружинами, причем установочный патрубок соосно размещен между карданно-шарнирными узлами, при этом карданно-шарнирный узел выполнен в виде двух соосно установленных фигурных полумуфт и размещенной между ними втулки, а фигурная полумуфта имеет форму полого цилиндра со ступенчатой наружной боковой поверхностью, в центральном осевом канале которого с одной стороны выполнена присоединительная резьба, а с другой -внутренняя кольцевая расточка и две стойки, расположенные напротив друг друга, симметрично по отношению к оси центрального канала в фигурной полумуфте, причем втулка имеет форму шара с центральным осевым каналом, при этом на наружной поверхности втулки, равномерно по окружности, установлены четыре цапфы, оси которых расположены в диаметральной плоскости, перпендикулярной по отношению к центральному осевому каналу, и пересекаются с осью последнего, а седло имеют форму полого цилиндра, у которого наружная поверхность одного из торцов выполнена ответной по отношению к наружной поверхности втулки, причем во внутренней кольцевой расточке фигурной полумуфты соосно установлены тарельчатая пружина и седло, которое имеет возможность взаимодействия с наружной поверхностью втулки, при этом в стойках фигурной полумуфты выполнены соосные сквозные каналы для размещения в них цапф втулки, а ось сквозных каналов перпендикулярна оси центрального осевого канала в фигурной полумуфте и пересекается с ней, причем втулка посредством цапф, размещенных с возможностью осевого поворота в соосных сквозных каналах стоек, шарнирно связана с обеими фигурными полумуфтами, при этом на концах установочного патрубка выполнены присоединительные резьбы, ответные присоединительной резьбе на фигурных полумуфтах, а оси сквозных каналов в стойках фигурных полумуфт, связанных резьбовыми соединениями с установочным патрубком, расположены параллельно друг другу.The problem is solved and the technical result is achieved by the fact that the layout of the cutting tool for milling a section of the casing by the "bottom-up" method in horizontal wells is equipped with an installation pipe and two cardan-hinged assemblies with figured half-couplings, bushings, trunnions, saddles and Belleville springs, and the installation the branch pipe is coaxially placed between the cardan-hinged assemblies, while the cardan-hinged assembly is made in the form of two coaxially mounted figured half-couplings and a bushing placed between them, and the figured half-coupling has the form of a hollow cylinder with a stepped outer side surface, in the central axial channel of which on one side a connecting thread is made, and on the other hand, an internal annular bore and two posts located opposite each other, symmetrically with respect to the axis of the central channel in the figured coupling half, and the sleeve has the shape of a ball with a central axial channel, while on the outer surface of the sleeve, uniformly circle, four trunnions are installed, the axes of which are located in a diametrical plane perpendicular to the central axial channel and intersect with the axis of the latter, and the seat has the shape of a hollow cylinder, in which the outer surface of one of the ends is made in response to the outer surface of the sleeve, moreover, in the inner annular bore of the figured coupling half, a disk spring and a seat are installed coaxially, which has the ability to interact with the outer surface of the sleeve, while coaxial through channels are made in the racks of the figured coupling half to accommodate bushing trunnions, and the axis of the through channels is perpendicular to the axis of the central axial channel in figured half-coupling and intersects with it, and the sleeve by means of trunnions placed with the possibility of axial rotation in the coaxial through channels of the racks, is pivotally connected to both figured half-couplings, while at the ends of the installation pipe there are connecting threads corresponding to the connecting threads on the figured half-couplings, and the axes of the through channels in the racks of figured half-couplings, connected by threaded connections with the installation pipe, are located parallel to each other.

Конструкция компоновки вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны методом «снизу-вверх» в горизонтальных скважинах поясняется чертежами, где: на фиг. 1 приведена схема компоновки вырезающего инструмента в транспортном положении; на фиг. 2 - схема компоновки вырезающего инструмента в рабочем положении; на фиг. 3 -общий вид карданно-шарнирных узлов и установочного патрубка; на фиг. 4 - сечение А-А по фиг. 3.The design of the layout of the cutting tool for milling a section of the casing string using the "bottom-up" method in horizontal wells is illustrated by drawings, where: in Fig. 1 shows the layout of the cutting tool in the transport position; in fig. 2 is a diagram of the layout of the cutting tool in the working position; in fig. 3 - a general view of the cardan-hinged assemblies and the installation pipe; in fig. 4 is a section A-A according to FIG. 3.

Предложенная компоновка вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны 1 присоединена к нижнему концу бурильной колонны 2 и включает в себя последовательно установленные (в осевом направлении от устья к забою скважины): два или более корпусных центратора 3, карданно-шарнирный узел 4, установочный патрубок 5, карданно-шарнирный узел 4, два или более раздвижных гидравлических центратора 6 с опорными элементами 7 и раздвижной гидравлический расширитель 8 с режущими лопастями 9.The proposed layout of the cutting tool for milling a section of the casing string 1 is attached to the lower end of the drill string 2 and includes sequentially installed (in the axial direction from the wellhead to the bottom of the well): two or more casing centralizers 3, cardan-hinged assembly 4, mounting pipe 5 , cardan-articulated assembly 4, two or more sliding hydraulic centralizers 6 with supporting elements 7 and a sliding hydraulic expander 8 with cutting blades 9.

В частном случае, между двумя раздвижными гидравлическими центраторами 6, установленными над раздвижным гидравлическим расширителем 8, может быть размешен маховик (на чертежах не показан), выполненный, к примеру, в виде одного или нескольких соосно соединенных между собой серийно выпускаемых калибраторов типа КЛС (калибратор лопастной спиральный). Использование подобного маховика позволит, во-первых, стабилизировать величину крутящего момента, передаваемого на режущие лопасти 9 раздвижного расширителя 8, а, во-вторых, улучшить условия промывки и выноса из рабочей зоны частиц металлической стружки и шлама (частиц цементного камня и горной породы).In a particular case, between two sliding hydraulic centralizers 6 installed above the sliding hydraulic expander 8, a flywheel (not shown in the drawings) can be placed, made, for example, in the form of one or more coaxially interconnected commercially available calibrators of the KLS type (calibrator lobed spiral). The use of such a flywheel will allow, firstly, to stabilize the amount of torque transmitted to the cutting blades 9 of the sliding expander 8, and, secondly, to improve the conditions for washing and removing particles of metal chips and sludge from the working area (particles of cement stone and rock) .

Карданно-шарнирный узел 4 состоит из двух фигурных полумуфт 10, между которыми соосно размещена втулка 11 в форме шара с центральным осевым каналом. Снаружи на втулке 11 закреплены четыре цапфы 12. Оси цапф 12, установленных равномерно по окружности на наружной поверхности втулки 11, расположены в ее диаметральной плоскости, которая перпендикулярна по отношению к центральному осевому каналу, и пересекаются с осью последнего.The cardan-hinged assembly 4 consists of two shaped half-couplings 10, between which a sleeve 11 is placed coaxially in the form of a ball with a central axial channel. Outside, four trunnions 12 are fixed on the sleeve 11. The axes of the trunnions 12, installed evenly along the circumference on the outer surface of the sleeve 11, are located in its diametrical plane, which is perpendicular to the central axial channel, and intersect with the axis of the latter.

Фигурная полумуфта 10 имеет форму полого цилиндра со ступенчатой наружной боковой поверхностью, в центральном осевом канале которого с одной стороны выполнена присоединительная резьба, а с противоположной -внутренняя кольцевая расточка для размещения в ней тарельчатой пружины 13 и седла 14, а также две стойки 15. Указанные стойки 15 расположены напротив друг друга, симметрично относительно оси центрального канала в фигурной полумуфте 10. В стойках 15 выполнены соосные сквозные каналы для размещения в них цапф 12 втулки 11. Ось этих сквозных каналов перпендикулярна оси центрального осевого канала в фигурной полумуфте 10 и пересекается с ней.Figured half-coupling 10 has the form of a hollow cylinder with a stepped outer side surface, in the central axial channel of which, on one side, a connecting thread is made, and on the opposite side, an internal annular bore for accommodating a Belleville spring 13 and a saddle 14, as well as two racks 15. racks 15 are located opposite each other, symmetrically with respect to the axis of the central channel in the figured half-coupling 10. In the racks 15, coaxial through channels are made to accommodate pins 12 of the sleeve 11 in them. The axis of these through channels is perpendicular to the axis of the central axial channel in the figured half-coupling 10 and intersects with it .

Седло 14 имеет форму полого цилиндра, у которого наружная поверхность одного из торцов выполнена ответной по отношению к наружной поверхности втулки 11. Герметизация седла 14 во внутренней кольцевой расточке центрального осевого канала в фигурной полумуфте 10 осуществляется при помощи кольцевой уплотнительной манжеты (на чертежах не показана). Втулка 11 установлена между седлами 14 таким образом, что их наружные поверхности взаимодействуют с наружной поверхностью втулки И. Прижатие седел 14 к втулке 11 обеспечивается тарельчатыми пружинами 13.The seat 14 has the shape of a hollow cylinder, in which the outer surface of one of the ends is made in response to the outer surface of the sleeve 11. The sealing of the seat 14 in the inner annular bore of the central axial channel in the curly coupling half 10 is carried out using an annular sealing cuff (not shown in the drawings) . The sleeve 11 is installed between the saddles 14 in such a way that their outer surfaces interact with the outer surface of the sleeve I. The pressing of the seats 14 to the sleeve 11 is provided by Belleville springs 13.

Втулка 11 посредством цапф 12 шарнирно связана со стойками 15 обеих фигурных полу муфт 10. При этом в сквозных каналах стоек 15 каждой фигурной полумуфты 10 размещены две цапфы 12, закрепленные на втулке 11 напротив друг друга. Цапфы 12 установлены в сквозных каналах стоек 15 с возможностью свободного осевого поворота.The bushing 11 is pivotally connected by means of the trunnions 12 to the uprights 15 of both curly half-couplings 10. In this case, two pins 12 are placed in the through channels of the uprights 15 of each figured half-coupling 10, fixed on the bushing 11 opposite each other. Pins 12 are installed in the through channels of the racks 15 with the possibility of free axial rotation.

Установочный патрубок 5 имеет на своих концах присоединительные резьбы, ответные присоединительной резьбе на фигурных полумуфтах 10, и соосно размещен между последними. Длина установочного патрубка 5 подбирается с учетом радиусов кривизны ствола скважины, внутреннего проходного диаметра обсадной колонны 1, наружного диаметра нижней части бурильной колонны 2, габаритных размеров, установленных в ее составе корпусных 3 и раздвижных центраторов 6, раздвижного гидравлического расширителя 8 и т.д.The installation pipe 5 has at its ends connecting threads that match the connecting threads on the figured half-couplings 10, and is coaxially placed between the latter. The length of the installation pipe 5 is selected taking into account the radii of curvature of the wellbore, the inner diameter of the casing string 1, the outer diameter of the lower part of the drill string 2, the overall dimensions of the casing 3 and sliding centralizers 6 installed in its composition, the sliding hydraulic expander 8, etc.

В процессе размещения установочного патрубка 5 между карданно-шарнирных узлов 4 необходимо обеспечить параллельность осей сквозных каналов в стойках 15 тех фигурных полумуфт 10, которые связаны резьбовыми соединениями с установочным патрубком 5.In the process of placing the installation pipe 5 between the cardan joints 4, it is necessary to ensure the parallelism of the axes of the through channels in the racks 15 of those figured half-couplings 10 that are connected by threaded connections with the installation pipe 5.

Предложенная компоновка вырезающего инструмента для фрезерования участка обсадной колонны работает следующим образом. Собранную на устье компоновку вырезающего инструмента, включающую (в осевом направлении от устья к забою скважины) два корпусных центратора 3, карданно-шарнирный узел 4, установочный патрубок 5, карданно-шарнирный узел 4, два раздвижных гидравлических центратора 6 и раздвижной гидравлический расширитель 8, присоединяют к нижнему концу бурильной колонны 2 и при помощи талевой системы буровой установки спускают в обсадную колонну 1. Компоновка вырезающего инструмента в процессе спуска по обсадной колонне 1 находится в транспортном положении.The proposed layout of the cutting tool for milling the section of the casing works as follows. The assembly of the cutting tool assembled at the wellhead, including (in the axial direction from the wellhead to the bottom of the well) two housing centralizers 3, a cardan-hinged assembly 4, an installation pipe 5, a cardan-hinged assembly 4, two sliding hydraulic centralizers 6 and a sliding hydraulic expander 8, is attached to the lower end of the drill string 2 and lowered into the casing string 1 using the traveling system of the drilling rig.

При размещении раздвижного гидравлического расширителя 8 на заданной глубине (режущие лопасти 9 установлены напротив нижней границы подлежащего фрезерованию участка обсадной колонны 1) талевую систему буровой установки стопорят, после чего организуют вращение бурильной колонны 2 и прямую циркуляцию промывочной жидкости через нее. При увеличении избыточного давления промывочной жидкости во внутренней полости бурильной колонны 2 начинается плавный перевод раздвижных гидравлических центраторов 6 и раздвижного гидравлического расширителя 8 из транспортного положения в рабочее. В результате этого опорные элементы 7 раздвижных центраторов 6 и режущие лопасти 9 гидравлического расширителя 8 взаимодействуют с внутренней поверхностью обсадной колонны 1.When the sliding hydraulic expander 8 is placed at a given depth (the cutting blades 9 are installed opposite the lower boundary of the section of the casing string 1 to be milled), the traveling system of the drilling rig is stopped, after which the rotation of the drill string 2 and the direct circulation of the drilling fluid through it are organized. With an increase in the excess pressure of the flushing fluid in the internal cavity of the drill string 2, a smooth transition of the sliding hydraulic centralizers 6 and the sliding hydraulic expander 8 from the transport position to the working position begins. As a result, the support elements 7 of the sliding centralizers 6 and the cutting blades 9 of the hydraulic expander 8 interact with the inner surface of the casing string 1.

Таким образом, за счет размещения в составе компоновки вырезающего инструмента двух карданно-шарнирных узлов 4 и установочного патрубка 5, раздвижные центраторы 6 обеспечивают качественное центрирование в обсадной колонне 1 только раздвижного расширителя 8, а не всей компоновки вырезающего инструмента.Thus, due to the placement of two cardan-hinged assemblies 4 and an installation pipe 5 in the assembly of the cutting tool, the sliding centralizers 6 provide high-quality centering in the casing string 1 only of the sliding expander 8, and not the entire assembly of the cutting tool.

В процессе контакта режущих лопастей 9 вращающегося раздвижного расширителя 8 с обсадной колонной 1 происходит сквозное прорезание стенки последней, после чего режущие лопасти 9 полностью переходят из транспортного положения в рабочее. Далее, при помощи упомянутого выше силового гидроцилиндра, организуют плавное непрерывное перемещение бурильной колонны 2 вместе с раздвижным расширителем 8 по стволу скважины в направлении «снизу-вверх».In the process of contact of the cutting blades 9 of the rotating expander 8 with the casing string 1, the wall of the latter is cut through, after which the cutting blades 9 completely move from the transport position to the working one. Further, with the help of the power hydraulic cylinder mentioned above, a smooth continuous movement of the drill string 2 together with the expander 8 along the wellbore in the "bottom-up" direction is organized.

После окончания процесса фрезерования выбранного участка обсадной колонны 1 прекращают циркуляцию промывочной жидкости и вращение бурильной колонны 2. При уменьшении величины избыточного давления промывочной жидкости во внутренней полости бурильной колонны 2 опорные элементы 7 раздвижных центраторов 6 и режущие лопасти 9 гидравлического расширителя 8 переходят из рабочего положения в транспортное. Далее, при помощи талевой системы буровой установки, бурильную колонну 2 вместе с компоновкой вырезающего инструмента извлекают на поверхность.After the end of the milling process of the selected section of the casing string 1, the circulation of the flushing fluid and the rotation of the drill string 2 are stopped. With a decrease in the excess pressure of the flushing fluid in the internal cavity of the drill string 2, the supporting elements 7 of the sliding centralizers 6 and the cutting blades 9 of the hydraulic expander 8 pass from the working position to transport. Next, using the traveling system of the drilling rig, the drill string 2 together with the layout of the cutting tool is removed to the surface.

Источники информации:Information sources:

1. А.Г. Калинин, Б.А. Никитин, К.М. Солодкий и Б.З. Султанов. Бурение наклонных и горизонтальных скважин. - М.: Изд-во «Недра», 1997, с. 523-526.1. A.G. Kalinin, B.A. Nikitin, K.M. Solodky and B.Z. Sultanov. Drilling of inclined and horizontal wells. - M.: Publishing house "Nedra", 1997, p. 523-526.

2. RU №93112 U1, Е21В 7/08, Е21В 29/00, опубл. 20.04.2010.2. RU No. 93112 U1, E21B 7/08, E21B 29/00, publ. 04/20/2010.

3. RU №2513923 C2, E21B 7/28, E21B 17/10, опубл. 10.11.2013.3. RU No. 2513923 C2, E21B 7/28, E21B 17/10, publ. 11/10/2013.

Claims

The layout of the cutting tool for milling a section of the casing string using the "bottom-up" method in horizontal wells, including two or more casing centralizers, two or more retractable hydraulic centralizers with supporting elements, a retractable hydraulic expander with cutting blades, characterized in that it is equipped with an installation pipe and two cardan-hinged assemblies with figured half-couplings, bushings, trunnions, saddles and Belleville springs, and the installation pipe is coaxially placed between the cardan articulated assemblies, while the cardan-hinged assembly is made in the form of two coaxially mounted figured half-couplings and a bushing placed between them, and the figured half-couplings are in the form of a hollow cylinder with a stepped outer side surface, in the central axial channel of which a connecting thread is made on one side, and with the other is an internal annular bore and two posts located opposite each other symmetrically with respect to the axis of the central channel in the figured half-coupling, and the sleeve has the shape of a ball with a central axial channel, while on the outer surface of the sleeve four trunnions are installed uniformly around the circumference, the axes of which are located in the diametrical plane, perpendicular to the central axial channel, and intersect with the axis of the latter, and the seat has the shape of a hollow cylinder, in which the outer surface of one of the ends is made in response to the outer surface of the sleeve, and in the inner annular bore of the figured half-coupling coaxially installed a Belleville spring and a saddle that can interact with the outer surface of the sleeve, while coaxial through channels are made in the legs of the figured half-coupling to accommodate the pins of the bushing in them, and the axis of the through channels is perpendicular to the axis of the central axial channel in the figured half-coupling and intersects with it, and the bushing by means of trunnions placed with the possibility of axial rotation in the coaxial through channels of the racks, it is pivotally connected to both figured coupling halves, while at the ends of the installation pipe there are connecting threads that match the connecting thread on the figured coupling halves, and the axes of the through channels in the racks of figured coupling halves connected by threaded connections with an adjusting branch pipe, are located parallel to each other.