RU2595119C1 - Device for screwing-off and destruction of reamed string - Google Patents

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention is intended for screwing-off and destruction of shoe during installation in wells of expanded columns. Device includes a housing with flushing channel, mounted rigidly on it cutting mandrel with communicated with flushing channel central and working holes, equipped from below with cutting elements, arranged radially and regularly relative to rotation axis, and channels for removal of chips in form of radial expanding to periphery end channels, arranged in cutting elements and communicated with flushing channel process openings, which are located closer to centre of rotation of mandrel, and with longitudinal grooves-slots on cylindrical surface of mandrel. Housing is equipped with annular extension with a chamfer on side of mandrel and longitudinal grooves are connected to radial and tangential planes. Angle between cutting elements in range of 110°-140° and rear angle of cutting elements in range of 8°-20° are selected depending on material of shoe. Holes of mandrel are equipped with water jet nozzles. Expansion with chamfer is made from material harder than that of reamed string. Inserts on chamfer are made of hard alloy. Radial channels in cutting elements diverge at an angle equal to that between rows of cutting elements. In depth of radial channels diverge from centre to periphery.

EFFECT: higher efficiency due to reduced time for drilling of shoe, axial load, torque.

1 cl, 1 dwg

Description

Предложение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для отворота и разрушения башмака при установке в скважинах расширяемых колонн из профильных и цилиндрических труб.The proposal relates to the oil and gas industry and is intended for the lapel and destruction of the shoe when installing expandable columns from profile and cylindrical pipes in the wells.

Известно «Устройство для развальцовки труб и разрушения башмака в скважине» (патент RU на полезную модель №81518, МПК E21B 29/10, опубл. в Бюл. №8 от 20.03.2009 г.), включающее корпус и установленную на нем на наклонной цапфе с возможностью вращения оправку, наружная поверхность которой образована сопряженными между собой чередующимися участками поверхности шара и фигурными поверхностями, причем фигурные поверхности образованы боковыми поверхностями цилиндров, оси которых расположены в перпендикулярной к оси вращения оправки плоскости, оправка снизу снабжена режущими элементами, размещенными на поверхности равномерно относительно оси вращения оправки с возможностью взаимодействия и разрушения башмака, при этом режущая кромка режущих элементов более удалена от центра поверхности шара оправки, чем образующая поверхность самой поверхности шара, кроме того, режущие элементы могут быть размещены радиально на продолжении ребер, образованных чередующимися участками поверхности шара и фигурными поверхностями, и оснащены канавками для удаления стружки.It is known "Device for pipe expansion and destruction of the shoe in the well" (RU patent for utility model No. 81518, IPC E21B 29/10, published in Bul. No. 8 of 03.20.2009), including the housing and mounted on it on an inclined axle with the possibility of rotation of the mandrel, the outer surface of which is formed by interconnected alternating sections of the surface of the ball and curved surfaces, and the curved surfaces are formed by the lateral surfaces of the cylinders, the axes of which are located perpendicular to the axis of rotation of the mandrel plane, the mandrel decreases equipped with cutting elements placed on the surface evenly relative to the axis of rotation of the mandrel with the possibility of interaction and destruction of the shoe, while the cutting edge of the cutting elements is more distant from the center of the surface of the ball of the mandrel than forming the surface of the surface of the ball, in addition, the cutting elements can be placed radially on the continuation of the ribs formed by alternating sections of the surface of the ball and curly surfaces, and equipped with grooves for removing chips.

Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:

- невозможность разрушения башмака, изготовленного из полиамида или текстолита, так как эти материалы имеют низкий коэффициент скольжения, и при этом производится одновременное развальцовывание труб расширяемой колонны;- the impossibility of destroying a shoe made of polyamide or textolite, since these materials have a low slip coefficient, and at the same time, expanding the pipes of the expandable column is performed simultaneously;

- высокая вероятность заклинивания устройства и поломки режущих элементов из-за отсутствия промывки в зоне резания и недостаточного сечения каналов для удаления стружки.- a high likelihood of jamming of the device and breakage of the cutting elements due to the lack of washing in the cutting zone and insufficient cross-section of the channels to remove chips.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Устройство для отворота и разрушения башмака расширяемых колонн» (патент RU №2465433, МПК E21B 29/00, опубл. в Бюл. №30 от 27.10.2012 г.), содержащее корпус с промывочным каналом, установленную на нем оправку, оснащенную каналами для удаления стружки и снизу режущими элементами, размещенными радиально и равномерно относительно оси вращения. При этом корпус снабжен кольцевым расширением с фаской со стороны оправки и продольными выборками, каждая из которых выполнена в виде соединенных радиальной и тангенциальной плоскостей, причем радиальная обращена в сторону вращения, а оправка соосно и жестко соединена с корпусом, перекрывая промывочный канал, и снабжена центральным отверстием, сообщенным с промывочным каналом, при этом каналы оправки для удаления стружки выполнены в виде радиальных, расширяющихся к периферии торцевых каналов, размещенных у режущих элементов по ходу вращения и сообщенных с промывочным каналом технологическими отверстиями, располагаемыми ближе к центру вращения оправки, и с продольными выборками пазами на цилиндрической поверхности оправки, причем расширение с фаской корпуса изготовлено из материала более твердого, чем материал башмака, и менее твердого, чем материал расширяемой колонны, при этом диаметр этого расширения и угол фаски подобраны с возможностью ввода оправки внутрь расширяемой колонны при скольжении устройства по стенке скважины. Недостатками данного устройства являются:The closest in technical essence and the achieved result is "Device for lapel and destruction of the shoe expandable columns" (patent RU No. 2465433, IPC E21B 29/00, published in Bul. No. 30 dated 10.27.2012), containing a housing with flushing a channel, a mandrel mounted on it, equipped with channels for removing chips and bottom cutting elements placed radially and evenly relative to the axis of rotation. In this case, the casing is equipped with an annular extension with a chamfer on the side of the mandrel and longitudinal samples, each of which is made in the form of connected radial and tangential planes, the radial facing in the direction of rotation, and the mandrel coaxially and rigidly connected to the casing, blocking the flushing channel, and is equipped with a central the hole in communication with the washing channel, while the channels of the mandrel for removing chips are made in the form of radial, expanding to the periphery of the end channels located at the cutting elements along the bp openings and technological holes communicated with the flushing channel closer to the center of rotation of the mandrel, and with longitudinal samples with grooves on the cylindrical surface of the mandrel, the expansion with a chamfer made of material harder than the material of the shoe, and less solid than the material of the expanded column, the diameter of this extension and the angle of the chamfer are selected with the possibility of introducing the mandrel into the expandable column when the device slides along the wall of the well. The disadvantages of this device are:

- высокие осевые нагрузки и длительное время работы при разрушении башмака, связанные с неоптимальным расположением и углом установки режущих элементов, что может привести к аварийной ситуации в горизонтальных скважинах;- high axial loads and a long operating time when the shoe is destroyed, associated with the non-optimal location and installation angle of the cutting elements, which can lead to an emergency in horizontal wells;

- высокая вероятность заклинивания устройства и поломки режущих элементов из-за недостаточной промывки в зоне резания и недостаточного сечения каналов для удаления стружки.- a high probability of jamming of the device and breakage of the cutting elements due to insufficient washing in the cutting zone and insufficient cross-section of the channels to remove chips.

Техническими задачами предложения являются значительное уменьшение осевой нагрузки, крутящего момента и сокращение времени за счет повышения эффективности работы устройства для отворота и разрушения башмака расширяемых колонн в наклонно направленных и горизонтальных участках скважин.The technical objectives of the proposal are to significantly reduce the axial load, torque and reduce time by increasing the efficiency of the device for lapel and destruction of the shoe expandable columns in directional and horizontal sections of the wells.

Технические задачи решаются устройством для отворота и разрушения башмака расширяемых колонн, содержащим корпус с промывочным каналом, установленную жестко на нем режущую оправку с сообщенными с промывочным каналом центральным и технологическими отверстиями, оснащенную снизу режущими элементами, размещенными радиально и равномерно относительно оси вращения, и каналами для удаления стружки, выполненными в виде радиальных расширяющихся к периферии торцевых каналов, размещенных у режущих элементов и сообщенных с промывочным каналом технологическими отверстиями, располагаемыми ближе к центру вращения оправки, и с продольными выборками-пазами на цилиндрической поверхности оправки, при этом корпус снабжен кольцевым расширением с фаской со стороны оправки и продольными выборками, каждая из которых выполнена в виде соединенных радиальной и тангенциальной плоскостей, причем радиальная обращена в сторону вращения, а диаметр расширения корпуса и угол фаски подобраны с возможностью ввода оправки внутрь расширяемой колонны при скольжении устройства по стенке скважины.The technical problems are solved by a device for opening and destroying the shoe of expandable columns, comprising a body with a washing channel, a cutting mandrel rigidly mounted on it with central and technological holes connected to the washing channel, equipped with bottom cutting elements arranged radially and uniformly about the axis of rotation, and channels for chip removal, made in the form of radial expanding to the periphery of the end channels located at the cutting elements and in communication with the washing channel t technological holes located closer to the center of rotation of the mandrel, and with longitudinal samples-grooves on the cylindrical surface of the mandrel, while the casing is equipped with an annular extension with a chamfer on the side of the mandrel and longitudinal samples, each of which is made in the form of connected radial and tangential planes, and radial turned in the direction of rotation, and the diameter of the extension of the body and the angle of the chamfer are selected with the possibility of entering the mandrel inside the expandable column when sliding the device along the wall of the well.

Новым является то, что угол между режущими элементами в диапазоне 110°-140° и задний угол режущих элементов в диапазоне 8°-20° выбираются в зависимости от материала башмака, при этом соответственно описанная снизу поверхность оправки образует обращенный вершиной вниз конус с углом при вершине 110°-140°, а отверстия оправки оснащены гидромониторными насадками, при этом расширение с фаской корпуса изготовлено из материала более твердого, чем материал расширяемой колонны, а вставки на фаске корпуса изготовлены из твердого сплава, при этом радиальные каналы, размещенные у режущих элементов, выполнены расширяющимися под углом, равным углу между рядами режущих элементов, а в глубину радиальные каналы выполнены расширяющимися от центра к периферии.New is that the angle between the cutting elements in the range of 110 ° -140 ° and the rear angle of the cutting elements in the range of 8 ° -20 ° are selected depending on the material of the shoe, while the mandrel surface, described below from below, forms a cone with its vertex pointing down with an angle at the apex 110 ° -140 °, and the mandrel holes are equipped with hydraulic nozzles, while the expansion with the chamfer of the body is made of material harder than the material of the expandable column, and the inserts on the chamfer of the body are made of hard alloy, while the radial s channels placed with the cutting elements are formed by expanding at an angle equal to the angle between the rows of cutting elements, and a depth of radial channels formed by expanding from the center to the periphery.

На фигуре изображено устройство для отворота и разрушения башмака расширяемых колонн.The figure shows a device for lapel and destruction of the shoe expandable columns.

Устройство включает корпус 1 с промывочным каналом 2, установленную жестко на нем режущую оправку 3 с сообщенными с промывочным каналом 2 центральным и технологическими отверстиями 4, оснащенную снизу режущими элементами 5, размещенными радиально и равномерно относительно оси вращения. Каналы 6 для удаления стружки, размещенные у режущих элементов 5 и сообщенные с промывочным каналом технологическими отверстиями 4, располагаемыми ближе к центру вращения оправки, и с продольными выборками-пазами 7 на цилиндрической поверхности оправки 3. Корпус 1 снабжен кольцевым расширением 8 с фаской 9 со стороны оправки 3 и продольными выборками 10, каждая из которых выполнена в виде соединенных радиальной и тангенциальной плоскостей, причем радиальная обращена в сторону вращения, а диаметр расширения 8 корпуса 1 и угол фаски 9 подобраны с возможностью ввода оправки 3 внутрь расширяемой колонны при скольжении устройства по стенке скважины.The device includes a housing 1 with a flushing channel 2, a cutting mandrel 3 fixed thereon with central and technological holes 4 connected to the flushing channel 2, equipped with bottom cutting elements 5 placed radially and uniformly with respect to the axis of rotation. Channels 6 for chip removal, located at the cutting elements 5 and communicated with the flushing channel with technological holes 4 located closer to the center of rotation of the mandrel, and with longitudinal samples-grooves 7 on the cylindrical surface of the mandrel 3. The housing 1 is equipped with an annular extension 8 with a bevel 9 with the sides of the mandrel 3 and longitudinal samples 10, each of which is made in the form of connected radial and tangential planes, the radial facing the direction of rotation, and the diameter of the extension 8 of the housing 1 and the angle of the chamfer 9 selected the ability to enter the mandrel 3 into the expandable column when sliding the device along the wall of the well.

Угол между режущими элементами 5 в диапазоне 110°-140° и задний угол режущих элементов 5 в диапазоне 8°-20° выбираются в зависимости от материала башмака, например, для полиамида - 110°, чугуна - 140°. Описанная снизу поверхность оправки 3 выполнена конусной и образует обращенный вершиной вниз конус с углом при вершине 110°-140°, что соответствует и углу между режущими элементами. Отверстия 4 оправки 3 оснащены гидромониторными насадками 11 для разрушения и удаления выбуренного шлама. Для увеличения ресурса устройства расширение 8 с фаской 9 корпуса 1 изготовлено из материала более твердого, чем материал расширяемой колонны. Вставки 12 на фаске 9 корпуса 1 изготовлены из твердого сплава для разбуривания более твердых материалов. Радиальные каналы 6, размещенные у режущих элементов 5, выполнены расширяющимися под углом α, равным углу между рядами режущих элементов α₁. В глубину радиальные каналы выполнены расширяющимися от центра к периферии.The angle between the cutting elements 5 in the range of 110 ° -140 ° and the rear angle of the cutting elements 5 in the range of 8 ° -20 ° are selected depending on the material of the shoe, for example, for polyamide - 110 °, cast iron - 140 °. The surface of the mandrel 3 described from below is made conical and forms a cone facing downward with a vertex angle of 110 ° -140 °, which also corresponds to the angle between the cutting elements. The holes 4 of the mandrel 3 are equipped with a hydraulic monitor nozzles 11 for destruction and removal of drill cuttings. To increase the resource of the device, the extension 8 with a chamfer 9 of the housing 1 is made of a material harder than the material of the expandable column. The inserts 12 on the chamfer 9 of the housing 1 are made of hard alloy for drilling harder materials. Radial channels 6, placed with the cutting elements 5 are formed by expanding an angle α, equal to the angle between the rows of cutting elements α _1. In depth, the radial channels are made expanding from the center to the periphery.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В скважину в интервал установки на колонне бурильных труб (на фигуре не показана) спускают расширяемую колонну из профильных и (или) цилиндрических труб с башмаком, в которых создают избыточное гидравлическое давление, предварительно прижимая их к стенкам скважины.An expandable string of profile and (or) cylindrical pipes with a shoe is lowered into the well during the installation interval on the drill pipe string (not shown in the figure), in which excessive hydraulic pressure is created, previously pressing them against the well walls.

Далее устройство в сборе с помощью внутренней резьбы (на фигуре не показано) соединяют со скважинным оборудованием (чаще всего навинчивают на нижний торец развальцевателя) и спускают на колонне бурильных труб в скважину до интервала установки расширяемой колонны. По достижении верхнего торца расширяемой колонны начинают вращать колонну бурильных труб со скважинным оборудованием, расширяя (например, при помощи развальцевателя) и плотно прижимая к стенкам скважины по всей длине профильные и (или) цилиндрические трубы расширяемой колонны.Next, the complete assembly using the internal thread (not shown in the figure) is connected to the downhole equipment (most often screwed onto the lower end of the flare tool) and lowered onto the drill pipe string into the borehole to the installation interval of the expandable string. Upon reaching the upper end of the expandable string, the drill string with the downhole equipment begins to rotate, expanding (for example, using a flare tool) and tightly pressing the profile and (or) cylindrical pipes of the expandable string to the walls of the well along the entire length.

По достижении башмака расширяемой колонны происходит внедрение режущих элементов 5 оправки 3 устройства в поверхность башмака и его разрушение. Благодаря тому, что угол установки и задний угол режущих элементов 5 соответствуют оптимальному углу для разбуривания выбранного материала башмака, скорость разбуривания башмака значительно возрастает. Кроме того, не происходят поломки режущих элементов 5. По мере разрушения башмака образующаяся стружка благодаря промывочной жидкости, поступающей в зону резания по колонне бурильных труб, и далее через внутренний промывочный канал 2, технологические отверстия 4, гидромониторные насадки 11, по радиальным каналам 6 для удаления стружки, пазам 7 на цилиндрической поверхности оправки 3 и продольным выборкам 10 корпуса 1 удаляется из скважины, не препятствуя работе устройства. Благодаря гидромониторным насадкам 11 происходит разрушение стружки на мелкие фрагменты. Благодаря тому, что радиальные каналы 6, размещенные у режущих элементов 5, выполнены расширяющимися под максимально возможным углом и в глубину выполнены расширяющимися от центра к периферии, происходит быстрое удаление выбуренной стружки и шлама, что в свою очередь не препятствует дальнейшему бурению, исключает аварийную ситуацию в виде прихвата инструмента. По мере работы устройства в работу начинают вступать расширение 8 с фаской 9 корпуса 1, разбуривая (или вывинчивая по резьбе) остатки башмака с помощью вставок 12. Благодаря тому, что расширение 8 с фаской 9 корпуса 1 изготовлено из материала более твердого, чем материал расширяемой колонны, а вставки 12 выполнены из твердого, износостойкого материала, значительно увеличивается ресурс работы устройства без износа.Upon reaching the shoe of the expandable column, the cutting elements 5 of the mandrel 3 of the device are introduced into the surface of the shoe and its destruction. Due to the fact that the installation angle and the rear angle of the cutting elements 5 correspond to the optimum angle for drilling the selected shoe material, the speed of drilling the shoe increases significantly. In addition, there is no breakage of the cutting elements 5. As the shoe is destroyed, the resulting chips due to flushing fluid entering the cutting zone through the drill pipe string and then through the inner flushing channel 2, process holes 4, hydraulic nozzles 11, along the radial channels 6 for chip removal, the grooves 7 on the cylindrical surface of the mandrel 3 and the longitudinal samples 10 of the housing 1 is removed from the well, without interfering with the operation of the device. Due to the hydraulic nozzles 11, the chips are destroyed into small fragments. Due to the fact that the radial channels 6, located at the cutting elements 5, are made expanding at the maximum possible angle and are made in depth expanding from the center to the periphery, the drill cuttings and cuttings are quickly removed, which in turn does not impede further drilling, eliminates the emergency in the form of a tool tack. As the device operates, expansion 8 begins to chamfer 9 of the housing 1, drilling (or unscrewing by carving) the remains of the shoe using inserts 12. Due to the fact that the expansion 8 with the chamfer 9 of the housing 1 is made of a material harder than the expandable material columns, and inserts 12 are made of solid, wear-resistant material, significantly increases the life of the device without wear.

После прохождения устройства через башмак расширяемой колонны ее расширяют скважинным оборудованием (развальцевателем) до плотного прижатия к стенкам скважины. Затем всю компоновку поднимают на поверхность. Остатки башмака, упавшие на забой скважины, не препятствуют дальнейшему бурению.After the device passes through the shoe of the expandable string, it is expanded with downhole equipment (flare) to be pressed firmly against the walls of the well. Then the whole layout is raised to the surface. The remains of the shoe that fell on the bottom of the well do not interfere with further drilling.

Техническими преимуществами предлагаемого устройства являются повышение эффективности работы устройства для отворота и разрушения башмака расширяемых колонн за счет значительного уменьшения времени на разбуривание башмака и значительное уменьшение осевой нагрузки, крутящего момента, исключающих заклинивание устройства, в том числе в наклонно направленных и горизонтальных участках скважин.The technical advantages of the proposed device are to increase the efficiency of the device for opening and destroying the shoe of expandable columns due to a significant reduction in the time for drilling the shoe and a significant reduction in axial load, torque, which exclude jamming of the device, including in directional and horizontal sections of wells.

Claims (1)

Устройство для отворота и разрушения башмака расширяемых колонн, включающее корпус с промывочным каналом, установленную жестко на нем режущую оправку с сообщенными с промывочным каналом центральным и технологическими отверстиями, оснащенную снизу режущими элементами, размещенными радиально и равномерно относительно оси вращения, и каналами для удаления стружки, выполненными в виде радиальных расширяющихся к периферии торцевых каналов, размещенных у режущих элементов и сообщенных с промывочным каналом технологическими отверстиями, располагаемыми ближе к центру вращения оправки, и с продольными выборками пазами на цилиндрической поверхности оправки, при этом корпус снабжен кольцевым расширением с фаской со стороны оправки и продольными выборками, каждая из которых выполнена в виде соединенных радиальной и тангенциальной плоскостей, причем радиальная обращена в сторону вращения, а диаметр расширения корпуса и угол фаски подобраны с возможностью ввода оправки внутрь расширяемой колонны при скольжении устройства по стенке скважины, отличающееся тем, что угол между режущими элементами в диапазоне 110°-140° и задний угол режущих элементов в диапазоне 8°-20° выбираются в зависимости от материала башмака, при этом соответственно описанная снизу поверхность оправки образует обращенный вершиной вниз конус с углом при вершине 110°-140°, а отверстия оправки оснащены гидромониторными насадками, при этом расширение с фаской корпуса изготовлено из материала более твердого, чем материал расширяемой колонны, а вставки на фаске корпуса изготовлены из твердого сплава, при этом радиальные каналы, размещенные у режущих элементов, выполнены расширяющимися под углом, равным углу между рядами режущих элементов, а в глубину радиальные каналы выполнены расширяющимися от центра к периферии. A device for opening and destroying the shoe of expandable columns, including a housing with a washing channel, a cutting mandrel rigidly mounted on it with central and technological holes connected to the washing channel, equipped with bottom cutting elements arranged radially and uniformly with respect to the axis of rotation, and channels for chip removal, made in the form of radial expanding to the periphery of the end channels located at the cutting elements and communicated with the washing channel technological holes, located closer to the center of rotation of the mandrel, and with longitudinal samples, grooves on the cylindrical surface of the mandrel, while the housing is equipped with an annular extension with a chamfer on the side of the mandrel and longitudinal samples, each of which is made in the form of connected radial and tangential planes, and the radial is turned in the direction of rotation and the diameter of the extension of the body and the angle of the bevel are selected with the possibility of introducing the mandrel inside the expandable column when sliding the device along the wall of the well, characterized in that the angle between cutting elements in the range of 110 ° -140 ° and the rear angle of the cutting elements in the range of 8 ° -20 ° are selected depending on the material of the shoe, while the mandrel surface described below from below forms a cone with the vertex pointing downward at an angle of 110 ° -140 ° at the apex, and the mandrel holes are equipped with hydraulic nozzles, while the expansion with the chamfer of the body is made of material harder than the material of the expandable column, and the inserts on the chamfer of the body are made of hard alloy, while the radial channels located at the cutting elements made expanding at an angle equal to the angle between the rows of cutting elements, and in depth, the radial channels are made expanding from the center to the periphery.

Images