Колонная подвеска

 

Изобретение относится к области горной пром-ти и позволяет повысить надежность работы путем повышения несущей способности цементного уплотнения при сжатии. Подвеска включает полый цилиндрический корпус 1 с радиальными отверстиями 2 внизу, перекрытыми полыми разрушаемыми пальцами 3. Снаружи корпуса 1 установлен составной фильтр 4 с образованием между ними кольцевой полости 5. Бурт 6 подвески имеет отверстия 7, в которых размещены фильтрующие элементы 8. Нижняя часть 9 фильтра 4 выполнена в виде цилиндра , средняя 10 - в виде усеченного конуса с меньшим основанием внизу, верхняя 11 - в виде цилиндра с фигурными выступами. Их внешний контур описывается логарифмической спиралью. Вдоль образующей верхней части 11 фильтра 4 в верхней и нижней его частях выполнены пазы с углублением до внешнего контура части 9. Проницаемость частей 11 и 10 в два и более раза меньще, чем у части 9. Подвеску устанавливают в открытой части ствола и цементируют.После схождения пробки с упорным пальцем давление снижают. Под действием перепада давления цементный раствор фильтруется. При перемещении колонны вниз происходит сжатие цементного уплотнения . Вследствие резкого повыщения его несущей способности колонна зависает на стенках скважины. Производят отворот бурильных труб. 4 ил., 2 табл. i (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4092278/22-03 (22) 30.05.86 (46) 15.07.88. Бюл. № 26 (71) Красноярский отдел Восточно-Сибирского научно-исследовательского института геологии, геофизики и минерального сырья (72) В. А. Прасолов, И. А. Истомин, Е. П. Жуйков, С. Н. Протасов и Н. И. Терещенко (53) 622.245.42 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 889332, кл. Е 21 В ЗЗ/12, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 876957, кл. Е 21 В 33/14, 1979. (54) КОЛОННАЯ ПОДВЕСКА (57) Изобретение относится к области горной пром-ти и позволяет повысить надежность работы путем повышения несущей способности цементного уплотнения при сжатии.

Подвеска включает полый цилиндрический корпус 1 с радиальными отверстиями 2 внизу, перекрытыми полыми разрушаемыми пальцами 3. Снаружи корпуса 1 установлен составной фильтр 4 с образованием.З(1409750 А 1 (5ц 4 Е 21 В ЗЗ/!4, 33 12 43 10 между ними кольцевой полости 5. Бурт 6 подвески имеет отверстия 7, в которых размещены фильтрующие элементы 8. Нижняя часть 9 фильтра 4 выполнена в виде цилиндра, средняя 10 — в виде усеченного конуса с меньшим основанием внизу, верхняя 11 — в виде цилиндра с фигурными выступами. Их внешний контур описывается логарифмической спиралью. Вдоль образующей верхней части 11 фильтра 4 в верхней и нижней его частях выполнены пазы с углублением до внешнего контура части 9. Проницаемость частей 11 и 10 в два и более раза меньше, чем у части 9. Подвеску устанавливают в открытой части ствола и цементируют. После схождения пробки с упорным пальцем давление снижают. Под действием перепада давления цементный раствор фильтруется. При перемещении колонны вниз происходит сжатие цементного уплотнения. Вследствие резкого повышения его несушей способности колонна зависает на стенках скважины. Производят отворот бурильных труб. 4 ил., 2 табл.

1409750

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к нефтегазодобываю,щей, и может быть использовано для подвески нижних секций обсадных колонн, летучек и хвостовиков при их цементировании.

Цель изобретения — повышение надежности работы устройства путем повышения ,несущей способности цементного уплотнения при сжатии.

На фиг. 1 представлено устройство, общий вид; на фиг. 2 — разрез А — А на фиг. 1; на фиг. 3 — график зависимости относительной деформации цементного раствора от давления; на фиг. 4 — расчетная схема к определению количества выступов на верхней части фйльтра.

Колонная подвеска содержит полый цилиндрический корпус 1 с радиальными от верстиями 2 в нижней его части, перекры,тыми полыми разрушаемыми пальцами 3, фильтр 4, установленный на наружной поверхности корпуса 1 с образованием, между ними кольцевой полости 5, бурт 6, соединяющий верхнюю часть фильтра с корпусом 1. В бурте 6 выполнены отверстия 7, соединяющие кольцевую полость с внешним пространством, в которых установлены фильтруюшие элементы 8. Фильтр состоит из нижней цилиндрической части 9, средней части 10 в виде усеченного ко нуса с меньшим основанием внизу, причем ,; угол между образующей усеченного конуса и осью корпуса равен от 0 40 до 3 00; верх ней части 11 в виде цилиндра с фигурными выступами 12, внешний контур кото рых описывается логарифмической спи,ралью. В верхней и средней частях фильт ра выполнены пазы 13 с углублением до внешнего контура нижней части фильтра.

На верхнем торце корпуса выполнен переходник 14„а на нижнем — переходник 15 для соединения устройства с колонной залиночных и обсадных труб. Фильтр закреплен на корпусе с помощью шпилек 16.

Колонную подвеску как составной элемент обсадной колонны устанавливают в открытой или обсаженной части ствола. В конце цементировании продавочной пробкой разрушают пальцы 3 (см. фиг. 1). После схождения пробки с упорным кольцом (момент «стоп») внутри труб снижают давление до гидростатического. Вследствие этого на фильтре колонной подвески возникает перепад давления как разность давлений столбов тампонажного раствора за колонной и более легкой продавочной жидкости внутри колонны.

Под действием перепада давления цементный раствор фильтруется, причем твердыс частицы задерживаются на фильтре 4, образуя цементное уплотнение, а фильтрат отводится через отверстия 2 в колонну. При последующем перемещении колонны вниз происходит сжатие цементного уплотнении, за1Î

ЗО

50 щемленного между конусной частью фильтра и стенками ствола скважины или предыдущей обсадной колонны. При этом свободный отток фильтрата вверх обеспечивается через фильтруюшие элементы 8 в бурте 6. Вследствие резкого повышения несущей способности цементного уплотнения колонна зависает на стенках открытой или обсаженной скважины.

После полной передачи веса колонны на цементное уплотнение производят отворот бурильных труб в левой резьбе разъединительного устройства. При этом фигурные выступы на верхней цилиндрической части 11 фильтра 3 по аналогии с конусом сжимают цементное уплотнение, защемленное между этими выступами и стенками скважины. Несущая способность этого уплотнения возрастает, благодаря чему обеспечивается необходимый для отворота труб крутящий мо мент.

Скважину промывают до выхода остатков буферных и тампонажных растворов на устье, бурильные трубы поднимают на поверхность.

Технология подвески обсадной колонны предусматривает перемещение последней вниз. При этом конуcHBH часть устройства входит в цементное уплотнение, сформированное на нижнем участке составного фильтра. Подвеска осуществляется тем надежнее, чем выше прочность этого уплотнения.

Экспериментально установлено (табл. 1), что высокая прочность цементного уплотнения на нижнем участка фильтра достигается в том случае, если показатель фильтрации по этому участку в 2 и более раза выше соответствующего показателя по верхнему и среднему участкам (составные фильтры N 3 — 5) .

Колонная подвеска по основным геометрическим параметрам должна отвечать ряду требований. Углы между образующей и осью конуса с пазами на верхйей и средней частях составного фильтра и без них определеHbl на основе экспериментов в специальном стенде, имитирующем основные .элементы колонной подвески в скважине. Продольные пазы изготовлены с углублением до внешней поверхности нижней части составного фильтра. После обезвоживания цементного раствора на составном фильтре под давлением 1 кгс/см (минимальным избыточным давлением, возможным в сква жине) фильтр выталкивали из цилиндра ° с измерением силы выталкивания. Результаты измерений приведены в табл. 2.

На примере обсадных труб диаметром

146 мм колонная подвеска должна воспринимать нагрузку не менее 2000 кгс. В этих условиях на конусе подвески развивается удельная осевая нагрузка 18,3 кгс/см- . В стенде, имитирующем подвеску, условная плоцгадь конуса 108 см- . Следовательно, в экс!

409750 перименте конус и уплотняемое под ним цементное тесто должны выдерживать осевую выталкивающую нагрузку не менее

1970 кгс. По данным табл. 2 видно, что наибольшая выталкивающая сила (более

1000 кгс) отмечается по конусам с углом между образующими и осями 0 40 — 3 00.

Но обоснованная расчетом нагрузка (округленно свыше 2000 кгс) развивается по тем же конусам с продольными пазами, обеспечивающими более равномерное поступление цементного раствора к различным участкам составного фильтра.

Для определения размеров конуса необходимо знать относительные деформации цементного теста при сжатии. Экспериментально в компрессионном приборе установлено, что при обезвоживании под действием минимального избыточного давления 1 кгс/см, возможного в скважине в неблагоприятных условиях, достигается относительная деформация (начальная), равная 0,25, т.е. ем= =О, 25 где V. — исходный объем цементного раствора между цилиндрическим фильтром подвески и стенкой скважины;

V> — объем цементного раствора, обезвоженного на фильтре под давлением 1 кгс/см .

В процессе посадки конусной части подвески в цементное тесто последнее испытывает доуплотнение под действием радиального давления, достигающего наибольшего значения. В компрессионном приборе использовано давление 150 кгс/см, при этом достигнута относительная деформация, равная 0,39.

По графику 1, фиг. 3, величина E с увеличением давления сжатия P по экспоненте стремится к своему пределу е . В первом приближении график 1 можно выразить зависимостью:

P = с е", (2) где с и и — коэффициенты параболической функции.

По трем показателям в при давлении сжатия 50, 100 и 150 кгс/см находим значение с и и. Формула (2) приобретает вид:

Р = 22,910 о о" (3)

Принимая за давление сжатия наибольшее значение 300 кгс/см-, возможное в скважине, по формуле (3) находим в =- 0,415. (4)

Вместе с тем предельная деформация е выражается зависимостью

UH.» — Ч»

Е Й (5) где Ъ » - — объем цементного теста, обезвоженного на фильтре при максимальном давлении 300 кгс/см .

Дополнительная относительная деформация е на фильтре пои повышении давления с 1 до 300 кгс/см, т.е. вследствие сжатия цементного теста конусом, выражается зависимостью. \ — V».

Ek =» (6) 10

Подставляя значения Ч> и V.. из формул (!) и (5) в формулу (6), находим

I ,ф Ep — E i<

БЙ

15 (?) С учетом значений (!) и (4) е" = 0,22. (8)

Эксперименты, выполненные в различных условиях и с применением тампонажных цементов, отличающихся сроками хранения и составом, свидетельствуют о непостоянстве величины е" (график 2, фиг. 3). В расчетах колебания этой величины учитываются коэффициентом К, равным 1,00 — 1,23.

25 В случае использования цементных растворов, приготовленных из тампонажных портландцементов со сроком хранения до 3 мес, затворенных на воде с температурой 20 С и выше, коэффициент приближается к единице, в других случаях — больше единицы, а со сроками хранения свыше 1 года — 1, 23. Таким образом, формулу (8) можно пведставить в виде: . — — К-0,22. (9) 45 Подставляя значения (10), (ll) и (9) в формулу (6). находим

2. 2

dc — d;.

- 2 — т-= K 0.22. (!2)

Размеры конуса колонно" подвески рассчитывают следующим образом.

Исходные данные: d = !90 мм. da

178 мм (наибольший диаметр, допустимый из условия прохождения подвески но стволу скважины); К = 1,23.

Подставляя значения d и d» в формулу

55 (12), находим d . = !74 мм.

Угол между образующей конуса и оськ> корпуса подвески принимается равным

1 00. Тогда высота конуса равна

Единичный объем обезво>кенного на фильтре цементного оаствора V. равен у у = 0,785 (»! — d ), (10) где d.- и d — диаметры скважины и меньшего основания конуса.

После перемещения подвески на расчет40 ную величину обезвоженная масса доуплотняется. Конечный един ичный об.ьем уплотнения Vê равен

Vê .= 0,785.(d — -dc), (1 !) где dr> — диаметр большего основания конуса.

1409750

3.

= 114 мм. (16 — (1н р „— 1g8 (13) откуда р=ре =ро=Ь, о

= pctg р,. (1

% (14) откуда р = b-e (м - to) 4g с (23) 35 р=835Р+)a ", или

40 р = 83 5 е о озов(Р;- в»

1 (Ч- Р.) Qa( р= рое (18) (рад), находим ве89,0

87,5

86,0

85,2

84,6

83,5 а = рое"<" "; (19) Ь и а из (21) находим! и = ((pa — -(pa) 1Д(у„

S откуда а = arctg a(1

Ve

Работа, совершаемая фигурными выступами, идентична работе конуса, внедряемого в цементное тесто. Это означает, что конфигурация выступа должна отвечать условию постоянства угла а, и, следовательно, угла р в любой точке кривой, представляющей внешний контур выступа в поперечном сечении.

Принимая ctg p. = с и разделяя переменные в уравнении (14), в интегральной форме находим р У (+avdp = (cd(p. (15)

1o Уо

Решив это уравнение получим р = р.е < >. (16) формула (16) является математическим выражением логарифмической спирали. Таким образом, мон(но утверждать, что угол постоянен только тогда, когда внешний контур выступа выполнен в виде логарифмической спирали.

По фиг. 4 видно, что

K — 1А, следовательно, с = tgn. (17)

С учетом выражения (17) формулу (16) перепишем в виде:

Б предельных значениях р, т.е. при усло вии, что р=а; р=в;

Ь = ро.е" "

Частное от деления выражений формул (20) и (19) равно

X =

= е("e) "

Логарифмируя выражение (2! ), Расчет кривой, характеризующей внешний контур поперечного сечения верхней части фильтра, начинают с определения угла а по формуле (22), в которой значения а, b и ((pa †(ра) регламентированы из конструктивных соображений. При этом величина а не должна превышать некоторого критического значения а.р. По формуле (18) находим константу ро при условии. что

10 (р — (po = 0;

С учетом известного угла а г;о формуле (23) находим значения текущего радиуса р.

Расчет фигурных выступов на верхней части фильтра осуществляют следующим образом.

20 Исходные данные: фильтр смонтирован на цилиндрическом корпусе наружным диаметром 146 мм с тремя фигурными выступами. Следовательно (pa — (pa = 120

=.у (рад). Для скважины с номинальным

25 диаметром 90,5 мм наибольший диаметр фильтра по выступам с точки зрения проходимости по стволу не должен превышать 178 мм, т.е. а = 89 мм, Наименьший диаметр фильтра по впадинам между выступами принимается равным 167 мм, поскольку этим обеспечивается минимально допустимая толщина стенки элемента в пределах 5 мм. Отсюда Ь = 83,5 мм.

Г1о формуле (22) находим и = агс1д н з 5 = 1 46 .

Из формулы (23) Изменяя значения (р, л(я(ины отрввков р; (м):

2л/3 д/2 и/3 л/4 л/6

О

По полученным данным осуществляется построение кривой.

Применение предлагаемого устройства способствует герметизации затрубного пространства в верхней части спущенной колонны и повышает надежность подвески колонны на цементном камне. С его помощью обеспечивается отворот труб, на которых производится спуск обсадной колонны.

1409750

Форму га изобретения

Колонная подвеска для хвостовиков и нижних секций обсадных колонн, включающая полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями в нижней его части, перекрытыми полыми разрушаемыми пальцами, фильтр, установленный на наружно" поверхности корпуса с образованием между ними кольцевой полости, и бурт, соединяющий верхнюю часть фильтра с корпусом, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности работы путем повышения несущей способности цементного уплотнения при сжатии, она снабжена фильтрующими элементами, установленными в выполненных в бурте отверстиях, соединяющих

Фильтр

Jfo

Пластическая прочность цементного уплотнения, кгс/см, на участках фильтра

Г Г среднем нижнем верхнем

1,91

0,45

5,29

2,97

2,36

1, 02.

3,88

7,61

5,29

5,29

1,98

3,88

7,61

3,88

3,12

5,29

11,90

4 30

2,97

2,97 п — отношение показателей фильтрации по нижней части .фильтра к показателям по верхней-и средней таетям . — :-.

Таблица 2

Угол между образующей и осью конуса

Сила выталкивания конуса, кгс

a с пазами без пазов

0 30

1450

570. o«

Б-..ee 2000 .-Г

1020

Более 2000

1230

Более 2000

1800

Более 2000

Бол е е 2000

Более 2000

1380

1780

850

1090

350

q/ 0

230

1 00

2 00

3 00

4 00

5 00

6 00 кольцевую полость с внешним пространством, а фильтр выполнен составным, причем нижняя часть выпопнена в виде цилиндра, средняя — в виде усеченного конуса с меньшим основанием внизу и углом между образующей усеченного конуса и осью корпуса 0 40 — 3 00; верхняя — в виде цилиндра с фигурными выступами, внешний контур поперечного сечения которых описывается логарифмической спиралью, при этом вдоль образующей верхней части фильтра в верхней и средней его частях выполнены пазы с углублением до внешнего контура нижней части фильтра, а проницаемость верхней и средней частей фильтра в два и более раза меньше проницаемости нижней части фильтра.

Таблица 1

72 аю а ц zc

50 юп 5П

Явление на цеменп-,ныи расгп8ор, пгс /см

1409750

Состанитсг>ь II. <1сииг,!

Редактор И. Рыбченко Те><ред И. Версс 1<оррслт<>р 11 .Ц«к,>

Заказ 3460/31 Тираж 531 11о <ни< II<><

ВНИИ11И Госуд»рственного комитета СС<..Р»<> .<с.»;<» «><>I>< «и>и ! 13035, Москва, Ж 35, Pay««>;» . и.><>. < 1

11р<>изводственно-полиграфии« кое предприятие, г У к»р д. < .. I I> «