Устройство для цементирования обсадной колонны

 

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к устройствам для разделения прокачиваемых жидкостей. Обеспечивает повышение качества цементирования обсадной колонны за счет исключения износа эластичных манжет, четкого расчета длины самой пробки и фиксации наконечника пробки в стоп-кольце. Сущность изобретения: устройство содержит цементировочную пробку с жестким сердечником. На нем закреплены эластичные манжеты и наконечник. Нижняя часть наконечника выполнена конической. А в цилиндрической части он снабжен проточкой под разрезное пружинное кольцо. Наружная часть кольца выполнена под углом 25-30^о относительно верхней поверхности посадочного конуса наконечника. Наконечник снабжен в верхней части посадочным конусом. Конус контактирует с верхней конической внутренней проточкой стоп-кольца. Также он снабжен в цилиндрической части проточкой. В проточке установлено уплотнительное кольцо. Кольцо входит в ответную нижнюю цилиндрическую внутреннюю проточку стоп-кольца. Стоп-кольцо имеет верхнюю коническую, среднюю и нижнюю цилиндрическую внутренние проточки. Диаметр средней цилиндрической внутренней проточки меньше диаметра нижней цилиндрической внутренней проточки. Все конические элементы каждой эластичной манжеты выполнены раздельными. Они имеют выступы и ответные пазы в нижней и верхних цилиндрических частях соответственно. Нижняя и верхняя эластичные манжеты имеют аналогичные соединения с верхней поверхностью посадочного конуса наконечника и фланцем соответственно. Длину наружной вертикальной конической части эластичной манжеты определяют по эмпирической формуле. Общую длину сборных эластичных манжет, контактирующих с обсадной трубой, определяют по эмпирической формуле. 3 ил.

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к устройствам для разделения прокачиваемых жидкостей.

Анализ существующего уровня показал следующее: известно устройство для цементирования обсадной колонны, содержащее собственно монолитную цементировочную резиновую пробку, заодно с которой выполнена фиксирующая головка в виде двойного усеченного конуса, а также металлическое упорное кольцо, на нижнем торце которого выполнена кольцевая проточка, и клапан для регулирования заполнения обсадной колонны, шарнирно прикрепленный к упорному кольцу (а.с. 690163 от 26.12.72 г. по кл. Е 21 В 33/16, опубл. в ОБ 37, 1979 г.).

Недостатком известной конструкции является некачественное цементирование обсадной колонны, обусловленное негерметичностью крепления наконечника резиновой пробки и металлического упорного кольца. Подобная конструкция не может выдержать перепада давления, которое образуется вследствие разницы плотностей тампонажного и бурового растворов. Отсутствие стержня в наконечнике приводит к сжатию последнего и смещению его вверх над упорным кольцом. Более того, монолитная резиновая цементировочная пробка сложна в изготовлении, т.к. требует большую по размерам пресс-форму. К тому же, элементы резиновой пробки, перемещающиеся по колонне обсадных труб, истираются в их стыках, что приводит к негерметичности эластичных элементов при посадке пробки в упорное кольцо. Нерегулируемая общая длина эластичных манжет может привести в случае ее малой величины к негерметичности элементов пробки, а в случае большой длины - неразмещению последней в стандартной цементировочной головке; известно устройство для цементирования обсадной колонны, содержащее стержень, на котором закреплены монолитные резиновые элементы цементировочной пробки, заодно с которой выполнена фиксирующая головка, имеющая конусную внутреннюю поверхность, ответную конусной поверхности упорного кольца, а также собственно металлическое упорное кольцо, размещенное между стыками обсадных труб, отверстие в котором рассчитывают исходя из математического соотношения (см. а.с. 1177454 от 12.12.83 г. по кл. Е 21 В 33/13, опубл. в ОБ 33, 1985 г.).

Недостатком известной конструкции является некачественное цементирование обсадной колонны, обусловленное отсутствием крепления фиксирующей головки в упорном кольце. Подобная конструкция не может выдержать перепады давления, которое образуется вследствие разницы плотностей тампонажного и бурового растворов. Монолитное выполнение резиновых элементов пробки сложно в изготовлении, т.к. требует большую по размерам пресс-форму. К тому же, резиновые элементы пробки, перемещающиеся по колонне обсадных труб, истираются в их стыках, что приводит к негерметичности эластичных элементов при посадке пробки в упорное кольцо. Нерегулируемая общая длина эластичных манжет может привести в случае ее малой величины к негерметичности элементов пробки, а в случае большой длины - неразмещению последней в стандартной цементировочной головке. Кроме того, установка упорного кольца между стыками обсадных труб приведет к негерметичности свинчиваемых резьбовых соединений, т.к. теоретически добиться расчета толщины паза под торец упорного кольца невозможно. Поэтому резьбовое соединение верхней трубы будет негерметично; в качестве прототипа взято устройство для цементирования обсадной колонны, содержащее собственно цементировочную пробку, включающую жесткий сердечник, на котором закреплены монолитные эластичные манжеты и наконечник, снабженный в верхней части посадочным (усеченным) конусом, контактирующим с верхней конической внутренней проточкой стоп-кольца (седла), в цилиндрической части - проточкой, в которой установлено уплотнительное кольцо, при этом нижняя часть наконечника выполнена конической (а.с. 578440 от 22.01.75 г. по кл. Е 21 В 33/16, опубл. в ОБ 40, 1977 г.). Стоп-кольцо имеет верхнюю коническую и нижнюю цилиндрическую внутренние проточки.

Недостатком известной конструкции является некачественное цементирование обсадной колонны, обусловленное отсутствием крепления наконечника с упорным кольцом. Подобная конструкция не может выдержать перепада давления, которое образуется вследствие разницы плотностей тампонажного и бурового растворов. Более того, монолитное выполнение эластичных манжет пробки сложно в изготовлении, т. к. требует большие размеры пресс-формы. К тому же, эластичные манжеты пробки, перемещающейся по колонне обсадных труб, истираются в их стыках, что приводит к негерметичности эластичных манжет при посадке пробки в упорное кольцо. Нерегулируемая общая длина эластичных манжет также может привести в случае ее малой величины к негерметичности элементов пробки, а в случае большой длины - неразмещению последней в стандартной цементировочной головке.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему: повышается качество цементирования обсадной колонны за счет исключения износа эластичных манжет, четкого расчета длины самой пробки и фиксации наконечника пробки в стоп-кольце.

Технический результат достигается с помощью известного устройства для цементирования обсадной колонны, содержащего цементировочную пробку, включающую жесткий сердечник, на котором закреплены эластичные манжеты и наконечник, снабженный в верхней части посадочным конусом, контактирующим с верхней конической внутренней проточкой стоп-кольца, в цилиндрической части - проточкой, в которой установлено уплотнительное кольцо, при этом нижняя часть наконечника выполнена конической, и стоп-кольца, имеющее верхнюю коническую и нижнюю цилиндрическую внутренние проточки, в котором конические элементы каждой эластичной манжеты выполнены раздельными, имеющими выступы и ответные пазы в нижней и верхней цилиндрических частях соответственно, а нижняя и верхняя эластичные манжеты имеют аналогичные соединения с верхней поверхностью посадочного конуса наконечника и фланцем соответственно, причем длину наружной вертикальной конической части эластичной манжеты определяют по формуле l=nb+к где l - длина наружной вертикальной конической части эластичной манжеты, мм; n - количество стыков обсадных труб, которые проходит каждая эластичная манжета в абразивном буровом и тампонажном растворах, шт.; b - величина износа каждой наружной вертикальной конической части эластичной манжеты, мм; к - коэффициент запаса, равный 1,0-1,5, а общую длину сборных эластичных манжет, контактирующих с обсадной трубой, без учета внешней конической высоты нижней эластичной манжеты определяют по формуле
L=1,1 D,
где L - общая длина сборных эластичных манжет, контактирующих с обсадной трубой, без учета внешней конической высоты нижней эластичной манжеты, мм;
D - наружный диаметр обсадной трубы, мм,
причем стоп-кольцо дополнительно снабжено средней цилиндрической внутренней проточкой, диаметр которой меньше диаметра нижней цилиндрической внутренней проточки, а наконечник цементировочной пробки в цилиндрической части дополнительно снабжен проточкой, в которой установлено разрезное пружинное кольцо, причем его наружная нижняя часть выполнена под углом 25-30^o относительно верхней поверхности посадочного конуса наконечника, входящее в ответную нижнюю цилиндрическую внутреннюю проточку стоп-кольца, а верхняя внутренняя коническая проточка стоп-кольца выполнена под углом 25-30^o.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известно раздельное крепление на сердечнике эластичных манжет разделительной пробки (см. а.с. 1046482 от 22.06.82 г. по кл. Е 21 В 33/16, опубл. в ОБ 37, 1983 г.), а также с их частичным поджатием: нижним и верхним (а.с. 1452939 от 18.09.86 г. по кл. Е 21 B 33/16, опубл. в ОБ 3, 1989 г.; а.с. 1114781 от 07.09. 84 г. по кл. Е 21 В 33/16, опубл. в ОБ 35, 1984 г.; а.с. 1795085 от 21.05.90 г. по кл. Е 21 В 33/16, опубл. в ОБ 6, 1993 г.). Более того, известен внутренний вертикальный скос наружной поверхности монолитных элементов эластичной манжеты (см. а.с. 548705 от 24.06.74 г. по кл. Е 21 В 33/16, опубл. в ОБ 8, 1977 г. ). Нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие расчеты длины: наружной вертикальной конической части эластичной манжеты и собственно разделительной пробки, а также конструктивные элементы фиксации наконечника пробки в стоп-кольце. Предлагаемая конструкция соответствует условию изобретательского уровня.

Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:
- на фиг. 1 представлена собственно цементировочная пробка до спуска в обсадную колонну;
- на фиг.2 представлена конструкция стоп-кольца;
- на фиг.3 представлено устройство для цементирования обсадной колонны (момент посадки цементировочной пробки в стоп-кольцо).

Заявляемое устройство состоит из собственно цементировочной пробки (фиг. 1) и стоп-кольца (фиг.2). Цементировочная пробка содержит жесткий сердечник 1, на котором закреплены эластичные манжеты 2, и наконечник 3, снабженный в верхней части посадочным конусом 4, а в цилиндрической части - проточкой, в которой установлено уплотнительное кольцо 5. Ниже последнего размещена еще одна проточка под разрезное пружинное кольцо 6, наружная нижняя часть которого выполнена под углом α = 25-30° относительно верхней поверхности 7 посадочного конуса 4 наконечника 3. Нижняя часть 8 наконечника 3 выполнена конической. Наконечник 3 соединяется с жестким сердечником 1 с помощью резьбового соединения 9. Конические элементы каждой эластичной манжеты 2 выполнены раздельными, имеющими выступы 10 и ответные пазы 11 в нижней 12 и верхней 13 цилиндрических частях каждой эластичной манжеты 2. Причем нижняя эластичная манжета имеет аналогичное соединение с верхней поверхностью 7 посадочного конуса 4, а верхняя эластичная манжета имеет аналогичное соединение с фланцем (гайкой) 14, соединяемым с жестким сердечником 1 резьбовым соединением 15.

Длину l наружной вертикальной конической части 16 каждой эластичной манжеты 2 определяют следующим образом.

Для скважины глубиной 5,5 тыс. м промежуточная обсадная колонна ⊘245мм спускается на глубину 2,5 тыс. м, что составит в среднем 250 труб (при длине каждой трубы 10 м). Соответственно количество стыков n составит 250-2=248 штук. Величина износа каждой наружной вертикальной конической части эластичной манжеты в абразивном буровом и тампонажном растворах, b, по практическим данным составляет 0,05-0,10 мм. Коэффициент запаса составляет 1,0-1,5.

l₁=248•0,05+1=13,4 (мм),
l₂₌248•0,1+1,5=26,3 (мм),
принимаем

Общую длину L сборных эластичных манжет, контактирующих с обсадной трубой, без учета внешней конической высоты нижней эластичной манжеты определяют следующим образом:
L=1,1•245=269,5 (мм)~270 мм
Принятие нами количественной величины 1,1 обусловлено определением усредненной величины отношения длины муфты к наружному диаметру колонн различного типоразмера:
для обсадных труб ⊘114мм с длиной муфты 159 мм отношение составляет
для обсадных труб ⊘168мм с длиной муфты 184 мм отношение составляет
для обсадных труб ⊘245мм с длиной муфты 196 мм отношение составляет
ср.отношение
Стоп-кольцо имеет резьбовое соединение 17, с помощью которого оно присоединяется к верхней трубе башмака обсадной колонны (фиг.3), а также следующие внутренние проточки: верхнюю коническую 18, выполненную под углом β = 25-30°, среднюю цилиндрическую 19 и нижнюю цилиндрическую 20. Диаметр средней цилиндрической проточки 19 меньше диаметра нижней цилиндрической проточки 20. Кроме того, в середине верхней части стоп-кольца выполнена прорезь 21, предназначенная для размещения в ней ключа, обеспечивающего свинчивание стоп-кольца с верхней трубой башмака обсадной колонны.

Устройство работает следующим образом: перед спуском обсадной колонны на одной из труб башмака ⊘245мм нарезают метрическую резьбу ⊘230мм и шагом 5 мм. В указанную резьбу ввинчивают стоп-кольцо, изготовленное методом чугунного литья, которое в процессе спуска обсадной колонны должно находиться на глубине 2470-2480 м. После восстановления циркуляции бурового раствора, промывки ствола скважины и закачки порции буферной жидкости начинают цементирование обсадной колонны ⊘245мм. Закачивают расчетный объем тампонажного раствора, вслед за которым с устья скважины из цементировочной головки пускают пробку заявляемой конструкции.

Предварительно цементировочную пробку изготавливают из заготовок чугунного литья. Эластичные манжеты выполняют из резины марки ИРП 1345 ТУ 38-005-204-84. Шероховатость металлических деталей (наконечника и внутренней поверхности стоп-кольца) должна соответствовать ГОСТ 2789-73 и техническим требованиям чертежей. Разрезное пружинное кольцо выполнено из стали 65 Г и подвергнуто термообработке по методике обработки пружин. При движении по обсадной колонне пробка продавливает расчетный объем тампонажного раствора и по окончании процесса цементирования садится в стоп-кольцо. В первоначальный момент захода пробки в стоп-кольцо происходит следующее: прохождение цилиндрической части наконечника 3 пробки через внутреннюю верхнюю коническую проточку 18 стоп-кольца обусловлено наличием углов α и β в последних. Углы можно выполнить в пределах 25-30^o, конкретно для данной конструкции 30^o, их величина связана с динамическими условиями соединения деталей в узел (см. Трубы нефтяного сортамента. Справочное руководство. М.: Недра, 1976). Посадочный конус 4 наконечника 3 заходит и садится во внутреннюю верхнюю коническую проточку 18. Одновременно во внутренней средней цилиндрической проточке 19 осуществляется посадка и герметизация уплотнительным кольцом 5, а разрезное пружинное кольцо 6 размещается во внутренней нижней цилиндрической проточке 20 стоп-кольца, которое предварительно при проходе внутренней средней цилиндрической проточки 19 сжимается, а затем во внутренней нижней цилиндрической роточке 20 расправляется в связи с разностью диаметров.

Описанные конструктивные особенности цементировочного устройства обеспечивают заявляемый технический результат: повышается качество процесса цементирования, связанное с наиболее полным разделением разных технологических жидкостей.

Формула изобретения

Устройство для цементирования обсадной колонны, содержащее цементировочную пробку, включающую жесткий сердечник, на котором закреплены эластичные манжеты и наконечник, снабженный в верхней части посадочным конусом, контактирующим с верхней конической внутренней проточкой стоп-кольца, в цилиндрической части - проточкой, в которой установлено уплотнительное кольцо, при этом нижняя часть наконечника выполнена конической, и стоп-кольцо, имеющее верхнюю коническую и нижнюю цилиндрическую внутренние проточки, отличающееся тем, что конические элементы каждой эластичной манжеты выполнены раздельными, имеющими выступы и ответные пазы в нижней и верхней цилиндрических частях соответственно, а нижняя и верхняя эластичные манжеты имеют аналогичные соединения с верхней поверхностью посадочного конуса наконечника и фланцем соответственно, причем длину наружной вертикальной конической части эластичной манжеты определяют по формуле
l=nb+k,
где l - длина наружной вертикальной конической части эластичной манжеты, мм;
n - количество стыков обсадных труб, которое проходит каждая эластичная манжета в абразивном буровом и тампонажном растворах, шт.;
b - величина износа каждой наружной вертикальной конической части эластичной манжеты, мм;
k - коэффициент запаса, равный 1,0-1,5,
а общую длину сборных эластичных манжет, контактирующих с обсадной трубой, без учета внешней конической высоты нижней эластичной манжеты определяют по формуле
L=1,1D,
где L - общая длина сборных эластичных манжет, контактирующих с обсадной трубой без учета внешней конической высоты нижней эластичной манжеты, мм;
D - наружный диаметр обсадной трубы, мм,
причем стоп-кольцо дополнительно снабжено средней цилиндрической внутренней проточкой, диаметр которой меньше диаметра нижней цилиндрической внутренней проточки, а наконечник цементировочной пробки в цилиндрической части дополнительно снабжен проточкой, в которой установлено разрезное пружинное кольцо, причем его наружная нижняя часть выполнена под углом 25 - 30^o относительно верхней поверхности посадочного конуса наконечника, входящее в ответную нижнюю цилиндрическую внутреннюю проточку стоп-кольца, а верхняя внутренняя коническая проточка стоп-кольца выполнена под углом 25 - 30^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3