Устройство для ступенчатого цементирования скважин

 

Изобретение относится к области крепления нефтяных и газовых скважин с близким расположением нефтеводогазоносных горизонтов. Обеспечивает повышение надежности устройства при больших нагрузках на нижние выдвижные упоры в процессе второй ступени цементирования. Сущность изобретения: устройство включает составной корпус с центральным проходным каналом, радиальными отверстиями и внутреннюю поверхность с кольцевыми выступами и впадинами. В корпусе установлены двухходовая втулка с отверстиями и ограничитель первого хода втулки. Он состоит из кольца. Он имеет элемент его зацепления втулкой, при ее ходе и выведенные из канала выдвижные упоры. Они размещены в боковых конических отверстиях (сепараторах) соответственно кольца и втулки. Упоры взаимодействуют с внутренней поверхностью корпуса. Втулка зафиксирована винтом. При этом, элемент зацепления кольца выполнен срезным. Впадина внутренней поверхности корпуса 17 выполнена двухступенчатой, сужающейся сверху вниз. Наружная поверхность кольца в зоне верхней ступени упомянутой впадины тоже выполнена с двухступенчатой впадиной. Она выполнена расширяющейся сверху вниз. В нижней ступени ее размещен кольцевой упор. Втулка имеет дополнительные отверстия в зоне кольцевого упора. В них установлены кольцевые фиксаторы втулки 9. Выдвижные упоры соединены с пружинными отклонителями, 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области крепления нефтяных и газовых скважин с близким расположением нефтеводогазоносных горизонтов и низкопроницаемыми коллекторами, имеющими высокую чувствительность к закупоривающему действию тампонажных растворов.

Известно устройство для ступенчатого цементирования скважин, включающее составной корпус с центральным проходным каналом, боковыми циркуляционными отверстиями и состоящей из кольцевых выступов и впадин внутренней поверхностью, установленные в корпусе двухходовую втулку одностороннего перемещения с боковыми циркуляционными отверстиями, размещенными выше упомянутых отверстий корпуса, ограничитель первого хода втулки, выполненный в виде кольца, односторонне сцепленного с втулкой, и установленный с возможностью образования с корпусом и втулкой замкнутой полости - гидрофиксатора втулки при перемещении с ней вниз до совмещения циркуляционных отверстий корпуса и втулки и разгерметизации гидрофиксатора при последующем перемещении вниз относительно втулки, а также выведенные из центрального проходного канала и выступающие в него выдвижные упоры, размещенные соответственно в верхнем и нижнем кольцевых сепараторах и взаимодействующие с внутренней поверхностью корпуса. Ограничитель первого хода втулки снабжен пружинными опорными элементами с возможностью из скольжения по выступу внутренней поверхности корпуса, необходимая герметичность устройства обеспечивается уплотнительными кольцами [1] Недостатками устройства-аналога являются его низкая эксплуатационная технологичность и сложность изготовления. Эти недостатки обусловлены использованием высокопрочных пружинных опорных элементов наряду с двумя группами выдвижных упоров. Такое конструктивное решение не только вызывает повышенную сложность и ответственность изготовления устройства, но и чрезмерно осложняет разбуривание элементов, выступающих в центральный проходной канал, при возникновении соответствующих аварийных ситуаций в процессе крепления скважин.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для ступенчатого цементирования скважин, включающее составной корпус с центральным проходным каналом, радиальными циркуляционными отверстиями и внутренней поверхностью, состоящей из кольцевых выступов и впадин, установленные в корпусе двухгодовую втулку одностороннего перемещения с радиальными циркуляционными отверстиями, размещенными выше упомянутых отверстий корпуса, и гидрофиксатор ограничитель первого хода втулки, включающий кольцо и элемент его зацепления втулкой при ее ходе, а также выведенные из центрального проходного канала и выступающие в него выдвижные упоры, размещенные соответственно в верхнем, выполненном в кольце, и нижнем, выполненном во втулке, кольцевых сепараторах и взаимодействующие с внутренней поверхностью корпуса с возможностью выдвижения упоров, находящихся в верхнем сепараторе, в центральный проходной канал и выхода всех упоров из этого канала соответственно при первом и втором ходах втулки [2] Недостатком устройства прототипа является его малая надежность при больших нагрузках на нижние выдвижные упоры в процессе второй ступени цементирования. В замкнутой полости гидрофиксатора втулки, образуемой кольцом, корпусом и втулкой в конце первого хода последней, формируется кратно большее давление, чем в центральном проходном канале пакера (эффект мультипликатора давления). Одновременно в указанную полость передаются также кратно увеличенные динамические изменения давления, происходящие в проходном канале пакера. При достаточно больших нагрузках на нижние выдвижные упоры на второй ступени цементирования (в скважинах глубиной около 3 км и более) в полости гидрофиксатора формируются гидравлические нагрузки на уплотнения (в т.ч. динамические) до величин более 50-60 МПа. При таких нагрузках конструктивно возможные уплотнения (резиновые кольца круглого сечения) работают недостаточно надежно, что подтверждено их отказами при стендовых и скважинных испытаниях экспериментальных образцов устройства-прототипа.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности устройства при больших нагрузках на нижние выдвижные упоры в процессе второй ступени цементирования, что имеет место при креплении скважин глубиной порядка 3000 м и более.

Решение указанной задачи достигается тем, что в новом устройстве, включающем все изложенные выше признаки устройства-прототипа, элемент зацепления кольца выполнен срезным, а впадина внутренней поверхности корпуса непосредственно под верхним кольцевым выступом выполнена двухступенчатой, сужающейся сверху вниз, при этом наружная поверхность кольца в зоне верхней в ступени упомянутой впадины корпуса выполнена двухступенчатой, расширяющейся сверху вниз, в нижней ступени которой размещен зафиксированный на втулке разрушаемым элементом кольцевой упор с возможностью посадки на него кольца буртом, ограничивающим эти ступень, а втулка выполнена с дополнительными радиальными отверстиями в зоне кольцевого упора, в которых установлены радиально подвижные, соответствующие по толщине зазору между кольцевым упором и внутренней поверхностью корпуса секторные кольцевые фиксаторы втулки с возможностью их опорного взаимодействия с ограничивающим упомянутую верхнюю ступень корпуса коническим буртом при совмещении циркуляционных отверстий втулки и корпуса, а также перемещения в верхнюю ступень впадины кольца при последующем сдвиге последнего вниз относительно втулки со смещением кольцевого упора.

Кроме того, в заявляемом устройстве выдвижные упоры соединены с пружинными отклонителями.

Указанная совокупность признаков не известна из уровня техники, то есть заявляемое устройство для ступенчатого цементирования скважин является новым.

Сравнение заявляемого устройства с известными техническими решениями не позволило выявить такие решения, из которых явным образом следует предлагаемая совокупность признаков.

Таким образом, заявляемое устройство имеет изобретательский уровень.

Изобретение поясняется графическими изображениями.

На фиг. 1 изображено устройство в транспортном положении; на фиг.1 в момент открытия боковых циркуляционных отверстий для проведения второй ступени цементирования; на фиг.3 в момент из рабочего положения ограничителя первого хода втулки; на фиг.4 после закрытия боковых циркуляционных отверстий.

Устройство (фиг. 1) устанавливается на обсадной колонне (посредством концевых резьб) и включает составной корпус 1 с центральным проходным каналом 2, радиальными циркуляционными отверстиями 3 и внутренней поверхностью, выполненной с кольцевыми выступами 4, 5 и впадинами 6, 7, 8, установленные в корпусе 1 двухходовую втулку 9 одностороннего перемещения с радиальными циркуляционными отверстиями 10, размещенными выше упомянутых отверстий корпуса, и ограничитель первого хода втулки, включающий кольцо 11 и элемент его зацепления 12 втулкой при ее ходе, а также выведенные из центрального проходного канала 2 и выступающие в него выдвижные упоры 13 и 14, размещенные в боковых конических отверстиях (сепараторах) соответственно кольца 11 и втулки 9. Эти упоры размещены соответственно в верхнем, выполненном в кольце 11, и нижнем, выполненном во втулке 9, кольцевых сепараторах и взаимодействуют с внутренней поверхностью корпуса 1 с возможностью выдвижения упоров 13, находящихся в верхнем сепараторе, в центральный проходной канал 2 и выхода всех упоров из этого канала соответственно при первом и втором ходах втулки 9.

Втулка зафиксирована в корпусе 1 срезным винтом 15.

Упомянутый элемент зацепления 12 кольца 11 выполнен с возможностью среза при смещении кольца 11 относительно втулки 9. Внутренняя поверхность корпуса 1 непосредственно под верхним кольцевым выступом 4 имеет двухступенчатую впадину 7, сужающуюся сверху вниз. Наружная поверхность кольца 11 в зоне верхней ступени упомянутой впадины корпуса выполнена с двухступенчатой, расширяющейся сверху вниз впадиной 16, в нижней ступени которой размещен зафиксированный на втулке 9 разрушаемым элементом 17 кольцевой упор 18 с возможностью посадки на него кольца 11 буртом, ограничивающим эту ступень. Втулка 9 выполнена с дополнительными радиальными отверстиями в зоне кольцевого упора 18, в которых установлены радиально подвижные, соответствующие по толщине зазору между кольцевым упором 18 и внутренней поверхностью корпуса 1 в зоне ее дополнительного углубления секторные кольцевые фиксаторы 19 втулки 9. Эти фиксаторы установлены с возможностью их опорного взаимодействия с ограничивающим упомянутое дополнительное углубление коническим буртом 20 корпуса 1 при совмещении циркуляционных отверстий 3 и 10 соответственно втулки 9 и корпуса 1, а также радиального перемещения в верхнюю ступень впадины 16 кольца 11 при последующем сдвиге последнего вниз относительно втулки 9 со смещением кольцевого упора 18. Все выдвижные упоры соединены с пружинными отклонителями 21 и 22. Уплотнения зазоров обеспечиваются резиновыми кольцами.

Устройство работает следующим образом.

После закачки в обсадную колонну специальных тампонажных материалов для первой ступени цементирования (в минимальной мере ухудшающих коллекторские свойства продуктивного пласта) пускают первую цементировочную пробку 23 (фиг. 2) и продавливают ее до посадки на выдвижные упоры 14 путем закачки в колонну заданных жидкостей (буферной жидкости и тампонажного раствора второй ступени цементирования или продавочной жидкости, или всех этих жидкостей в заданных объемах и последовательности).

После закачки в колонну тампонажного раствора второй ступени цементирования пускают вторую специальную цементировочную пробку 24 (фиг.3) и продавливают ее до посадки на выдвижные упоры 13 закачиванием в колонну принятой на предприятии продавочной жидкости.

Первая цементировочная пробка 23, взаимодействуя с выдвижными упорами 14, обеспечивает срез винта 15 (фиг.2) и перемещает втулку 9 до совмещения циркуляционных отверстий 3 и 10. Затем перемещение втулки 9 прекращается благодаря упору секторных фиксаторов 19 в конический бурт 20 корпуса 1. При перемещении втулки 9 вниз, кольцо 11 также перемещается вниз, выдвигая упоры 13 в проходной канал, т.е. образуя седло для второй цементировочной пробки. Операции, осуществляемые посредством первой цементировочной пробки, контролируются по заданному повышению давления в обсадной колонне (срез винта 15) и последующему снижению этого давления с возобновлением циркуляции жидкостей в скважине 9совмещение отверстий 3 и 10).

При взаимодействии второй цементировочной пробки 24 с упорами 13 (фиг.3) вначале происходит срез элемента зацепления (винта) 12. Этим срезом обеспечивается ударное осевое воздействие кольца 11 на кольцевой упор 18 и срез разрушаемого элемента 17. Функциональное значение указанного ударного воздействия состоит в том, что исключается дополнительное повышение давления для преодоления силы трения между кольцевым упором 18 и секторными фиксаторами 19, а также среза элемента 17. Стендовыми исследованиями установлено, что при больших нагрузках на нижние выдвижные упоры (высоком перепаде давления на первую цементировочную пробку 23), т.е. большой силе трения между деталями 19 и 19, и отсутствии указанного ударного воздействия может понадобиться весьма значительное (до 5 МПа) и более) дополнительное повышение рабочего давления на заключительной стадии второй ступени цементирования, чем были бы существенно понижены надежность и технологичность устройства в эксплуатации, тем более, что строго прогнозировать требуемую величину этого повышения давления в каждом конкретном случае не представляется возможным. После среза элементов 12 и 17 кольцо 11 и кольцевой упор 18 совместно смещаются вниз до упора во втулку 9; при этом секторные фиксаторы 19 радиально смещаются до упора в кольцо 11 с прекращением их упора в конический бурт 20 корпуса 1, т. е. втулка 9 освобождается от осевой фиксации.

Затем (фиг.4) втулка 9 вместе с кольцом 11 смещается вниз до выхода выдвижных упоров 13 и 14 из центрального проходного канала 2 во впадины 7 и 8 корпуса. При смещении втулки 9 она герметично перекрывает циркуляционные отверстия 3.

Продолжая закачку продавочной жидкости в колонну перемещают цементировочные пробки 23 и 24 на "стоп"-кольцо (на фиг.4 не показаны).

Техническое преимущество предполагаемого устройства состоит в замене гидрофиксатора системой механической фиксации втулки в конце ее первого хода.

Общественно-полезное преимущество предлагаемого устройства обусловлено указанным выше техническим преимуществом и состоит в повышении надежности устройства при сохранении его высокой эксплуатационной технологичности.

Экономию от использования предлагаемого пакера в денежном выражении в настоящее время представить невозможно, ввиду отсутствия в отрасли методики расчета ожидаемой экономической эффективности от использования мероприятий по повышению надежности изоляции продуктивных пластов с уменьшением отрицательного влияния на их коллекторские свойства в прискважинной зоне.

Формула изобретения

1. Устройство для ступенчатого цементирования скважин, включающее составной корпус с центральным проходным каналом, радиальными циркуляционными отверстиями и внутренней поверхностью, выполненной с кольцевыми выступами и впадинами, установленные в корпусе двухходовую втулку одностороннего перемещения с радиальными циркуляционными отверстиями, размещенными выше упомянутых отверстий корпуса, и ограничитель первого хода втулки, включающий кольцо и элемент его зацепления втулкой при ее ходе, а также выведенные из центрального проходного канала и выступающие в него выдвижные упоры, размещенные соответственно в верхнем, выполненном в кольце, и нижнем, выполненном во втулке, кольцевых сепараторах и взаимодействующие с внутренней поверхностью корпуса с возможностью выдвижения упоров, находящихся в верхнем сепараторе, в центральный проходной канал и выхода всех упоров из этого канала соответственно при первом и втором ходах втулки, отличающееся тем, что элемент зацепления кольца выполнен срезным, а впадина внутренней поверхности корпуса непосредственно под верхним кольцевым выступом выполнена двухступенчатой, сужающейся сверху вниз, при этом наружная поверхность кольца в зоне верхней ступени упомянутой впадины корпуса выполнена двухступенчатой, расширяющейся сверху вниз, в нижней ступени которой размещен зафиксированный на втулке разрушаемым элементом кольцевой упор с возможностью посадки на него кольца буртом, ограничивающим эту ступень, а втулка выполнена с дополнительными радиальными отверстиями в зоне кольцевого упора, в которых установлены радиально подвижные соответствующие по толщине зазору между кольцевым упором и внутренней поверхностью корпуса секторные кольцевые фиксаторы втулки с возможностью их опорного взаимодействия с ограничивающим упомянутую верхнюю ступень впадины корпуса коническим буртом при совмещении циркуляционных отверстий втулки и корпуса, а также перемещения в верхнюю ступень впадины кольца при следующем сдвиге последнего вниз относительно втулки со смещением кольцевого упора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выдвижные упоры выполнены с пружинными отклонителями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4