Устройство для цементирования обсадной колонны

 

Изобретение относится к буровой технике, в частности к устройствам для крепления нефтяных и газовых скважин. Обеспечивает эффективность работы за счет исключения вращения узлов устройства. Сущность изобретения: устройство содержит разделительную пробку со стопорящим приспособлением на наконечнике и упорный элемент, подвесную пробку со стопорящим приспособлением на наконечнике и упорное кольцо. В качестве стопорящего приспособления разделительной пробки верхний отдел цилиндрической части ее наконечника содержит втулку. Втулка выполнена с зубчатой наружной поверхностью, образованной зубьями. Профиль зубьев в плоскости, параллельной оси разделительной пробки, представляет треугольник. В качестве упорного элемента использовано седло. Седло представляет собой полый цилиндр. Верхняя часть цилиндра выполнена зубчатой с аналогичным профилем зуба с образованием при совмещении зубьев зубчатого беззамкового соединения. Причем нижняя часть седла соединена с верхней частью подвесной пробки. Подвесная пробка имеет в средней части наконечника в качестве стопорящего приспособления посадочный выступ с зубчатой наружной поверхностью, образованной зубьями. Профиль зубьев в плоскости, параллельной оси подвесной пробки, представляет треугольник. Верхняя часть упорного кольца также выполнена зубчатой с аналогичным профилем зуба с образованием при совмещении зубьев зубчатого беззамкового соединения. Число зубьев для обоих соединений пробок с седлом и упорным кольцом определяют по аналитическому выражению. 6 ил.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к устройствам для крепления нефтяных и газовых скважин.

Анализ существующего уровня показал следующее: - известно устройство для цементирования обсадной колонны, содержащее разделительную пробку и седло (срезную втулку), а также подвесную (продавочную) пробку и упорное кольцо (кольцо "стоп") (см. а.с. 652313 от 04.07.77 г. по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 10, 1979 г.). Корпус устройства снабжен промывочными окнами, перекрытыми втулкой и диафрагмой, исключающими создание избыточного давления в затрубном пространстве. После ожидания затвердения цемента корпус вместе с бурильными трубами отвинчивается и поднимается из скважины.

Недостатком известного устройства является неэффективность его работы при разбуривании за счет вращения узлов: разделительной пробки и седла, подвесной пробки и упорного кольца, что приводит к длительности процесса; - в качестве прототипа взято устройство для цементирования обсадной колонны, содержащее разделительную пробку (резиновую запорную пробку) со стопорным приспособлением (плашками) на наконечнике (направляющей втулке) и упорный элемент в виде резьбовой нарезки для плашек в верхней части подвесной (разделительной) пробки, а также собственно подвесную (разделительную) пробку со стопорящим приспособлением (клиновые плашки) на наконечнике (направляющей втулке) и упорное кольцо с резьбовой нарезкой под клиновые плашки (см. Левин Е.М., Ваулин В.П. Спуск и подвеска хвостовиков при креплении скважин. Грозный, Чечено-Ингушское книжное издательство, 1970, с.41-43, рис. 17). На упорном кольце происходит сцепка пробки и последующее ее стопорение, что полностью исключает переток смеси из кольцевого пространства в трубы.

Недостатком известного устройства является неэффективность его работы при разбуривании, так как имеющиеся стопорящие приспособления не исключают вращение сопрягаемых деталей при их разбуривании.

Технический результат заключается в повышении эффективности работы устройства за счет исключения вращения узлов устройства: разделительной пробки и седла, подвесной пробки и упорного кольца, при разбуривании.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, содержащего разделительную пробку со стопорящим приспособлением на наконечнике и упорный элемент, а также подвесную пробку со стопорящим приспособлением на наконечнике и упорное кольцо, в котором в качестве стопорящего приспособления разделительной пробки верхний отдел цилиндрической части ее наконечника содержит втулку, выполненную с зубчатой наружной поверхностью, образованной зубьями, профиль которых в плоскости, параллельной оси разделительной пробки, представляет треугольник, а в качестве упорного элемента содержит седло, представляющее собой полый цилиндр, верхняя часть которого выполнена зубчатой с аналогичным профилем зуба, с образованием при совмещении зубьев зубчатого беззамкового соединения, причем нижняя часть седла соединена с верхней частью подвесной пробки, имеющей в средней части наконечника в качестве стопорящего приспособления посадочный выступ с зубчатой наружной поверхностью, образованной зубьями, профиль которых в плоскости, параллельной оси подвесной пробки, представляет треугольник, а верхняя часть упорного кольца также выполнена зубчатой с аналогичным профилем зуба, с образованием при совмещении зубьев зубчатого беззамкового соединения, причем число зубьев для обоих соединений пробок с седлом и упорным кольцом, соответственно, определяют по следующей формуле где Z - количество зубьев в соединении, шт; R - наружный радиус соединения, мм; t - расстояние между вершинами зубьев, мм, при этом t = 2•h•tgα_в, где h - высота зуба, мм; α_в - половина угла при вершине впадины между зубьями, град.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известно устройство для цементирования обсадной колонны, в котором имеется разделительная (продавочная) пробка со стопорящим (фиксирующим) приспособлением, выполненным в виде фиксатора-защелки (см. а.с. 1819987 от 31.07.89 г. по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 21, 1993 г.).

Известно устройство для цементирования обсадных колонн, в котором разделительная пробка снабжена стопорящим приспособлением (пружинным фиксатором), входящим при посадке пробки в седло, в кольцевую проточку и прекращающем дальнейшее передвижение разделительной пробки (см. а.с. 1425303 от 07.07.86 г. по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 35, 1988 г.).

Известная муфта для ступенчатого цементирования обсадных колонн, в которой для облегчения разбуривания цементировочной пробки, седло выступами входит в пазы корпуса, что препятствует его вращению, а пробка, впрессовываясь в седло, образует неподвижное соединение (см. а.с. 2132449 от 09.04.97 г. по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 18, 1999 г.).

Нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие зубчатые беззамковые соединения пробки и седла (упорного кольца), предотвращающие вращение их относительно друг друга, что повышает эффективность работы устройства при разбуривании. Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства и связями между ними. Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательского уровня.

Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами: - на фиг. 1 представлено положение устройства в упорном кольце башмака колонны; - на фиг.2 представлена разделительная пробка; - на фиг.3 представлено седло;
- на фиг.4 представлена подвесная пробка;
- на фиг.5 представлено упорное кольцо;
- на фиг.6 представлен профиль зуба зубчатого соединения.

Заявляемое устройство содержит разделительную пробку 1 (см. фиг.1), состоящую из штока 2 (см. фиг.2) с прикрепленными к нему двумя резино-металлическими манжетами 3 и наконечника 4, представляющего собой сплошную деталь, с цилиндрической и конической частями. Верхний отдел цилиндрической части наконечника 4 имеет резьбу под втулку 5, выполненную с зубчатой наружной поверхностью, образованной зубьями 6, профиль которых в плоскости, параллельной оси разделительной пробки 1, представляет треугольник (см. фиг. 6). Разделительная пробка 1 в процессе цементирования садится в седло 7 (см. фиг.1), представляющее собой полый цилиндр, верхняя часть которого выполнена также зубчатой с профилем зуба, аналогичным описанному (см. фиг.3), и при совмещении зубьев с зубьями втулки 5 разделительной пробки 1 образуется зубчатое беззамковое соединение. Нижняя часть седла 7 имеет резьбу 8, предназначенную для присоединения к верхней части подвесной пробки 9 (см. фиг.1, 4). Подвесная пробка 9 состоит из сердечника 10 с прикрепленными к нему тремя совмещенными резиновыми манжетами 11 и наконечника 12, имеющего в средней части посадочный выступ 13 с зубчатой наружной поверхностью, образованной зубьями 14, профиль которых в плоскости, параллельной оси подвесной пробки 9, представляет собой треугольник. Подвесная пробка 9 в процессе цементирования садится в упорное кольцо 15 (см. фиг.1, 5), представляющее собой полный цилиндр, верхняя часть которого выполнена также зубчатой с профилем зуба, аналогичным вышеописанному, и при совмещении зубьев с зубьями посадочного выступа 13 наконечника 12 образуется зубчатое беззамковое соединение.

Для всех рассматриваемых зубчатых беззамковых соединений угол при вершине впадины между зубьями 2α_в, составляет 60^o, что входит в ряд рекомендуемых основных параметров зубчатых треугольных соединений (см. Детали машин. Расчет и конструирование. Справочник, том. 1. Под ред. Н.С. Ачеркана. М., "Машиностроение", 1968 г., с. 194). В той же монографии, рекомендуемое число зубьев в соединении от 20 до 70.

Руководствуясь вышеописанными ограничениями, рассчитываем число зубьев в зубчатом беззамковом соединении по формуле

где Z - количество зубьев в соединении, шт;
R - наружный радиус соединения, мм;
t - расстояние между вершинами зубьев, мм, при этом t = 2•h•tgα_в, где h - высота зуба, мм; α_в - половина угла при вершине впадины между зубьями, град.

Для зубчатого беззамкового соединения втулки разделительной пробки и седла:
принимаем h= 12 мм, R= 44,5 мм (обусловлен прохождением пробки по бурильным трубам ⊘ 140 мм), тогда
t=2•12•tg30=13,848 мм;

принимаем h=6 мм, R=44,5 мм, тогда
t=2•6•tg30=6,924 мм;

Использование зуба с высотой менее 6 мм нецелесообразно, так как это приведет к снижению прочности зубчатого соединения.

Использование зуба с высотой более 12 мм недопустимо, так как приведет к уменьшению числа зубьев (т.е. в количестве менее 20 шт.), что не отвечает требованиям основных параметров для треугольных зубчатых соединений.

Для зубчатого беззамкового соединения подвесной пробки и упорного кольца:
принимаем h= 20 мм, R=85 мм (обусловлен прохождением пробки по обсадным трубам ⊘ 245 мм), тогда
t=2•23•tg30=26,542 мм;

принимаем h=7 мм, R=85 мм, тогда
t=2•7•tg30=8,078 мм;

Использование зуба с высотой менее 7 мм недопустимо, так как это приведет к увеличению числа зубьев (т.е. в количестве более 70 шт.), что не отвечает требованиям основных параметров для треугольных зубчатых соединений.

Использование зуба с высотой более 23 мм нецелесообразно, так как приведет к уменьшению числа зубьев (т.е. в количестве менее 20 шт.), что не отвечает требованиям основных параметров для треугольных зубчатых соединений.

Практическое выполнение зубчатого соединения с углом 2α_в, равным 72^o и 90^o для обоих соединений указанных видов пробок с элементами стопорения, нецелесообразно, так как приводит к уменьшению числа зубьев (менее общепринятого).

Устройство работает следующим образом.

В башмаке секции обсадной колонны или потайной колонны ⊘ 245 мм устанавливают упорное кольцо 15 и спускают колонну в скважину на определенную глубину.

Седло 7 подвешивают в патрубке подвесного устройства на штифтах, а к нему посредством резьбы 8 устанавливают подвесную пробку 9.

В верхней части секции обсадной колонны или потайной колонны устанавливают подвесное устройство и к нему присоединяют бурильные трубы. Наружный диаметр бурильных труб составляет 140 мм с толщиной их стенки 9 мм. Замковая резьба - 3-147, а внутренний диаметр замков бурильных труб равен 111 мм.

В таком положении колонну допускают до забоя и промывают ствол скважины.

С целью улучшения последующего процесса разбуривания седла 7, сердечника 10 подвесной пробки 9 и упорного кольца 15 их изготавливают из чугуна марки СЧ 15-32.

Резьбу обсадных труб выполняют по ГОСТ 632-64, а материал, из которого изготавливают обсадные трубы, применяют группы прочности Д.

После промывки ствола скважины насосами буровой установки на устье скважины бурильные трубы оборудуют цементировочной головкой типа 2 ГУЦ-400, в которую закладывают (вставляют) разделительную пробку 1. К цементировочной головке присоединяют цементировочные агрегаты 3ЦА-400, смесительную машину 2СМН-20. Управление контролем цементирования осуществляют с помощью станции СКЦ-2М.

Через цементировочную головку в скважину в бурильные трубы закачивают необходимый для цементирования объем тампонажного раствора, вслед за которым пускают разделительную пробку 1, а затем закачивают буровой раствор. Разделительная пробка 1, пройдя по бурильным трубам и их замкам, заходит в патрубок подвесного устройства и садится в седло 7. При этом осуществляется посадка втулки 5 разделительной пробки 1, с зубчатой наружной поверхностью, в зубчатую поверхность седла 7 с образованием зубчатого беззамкового соединения.

Цементировочные агрегаты в это время продолжают работать, нагнетая буровой раствор в колонну бурильных труб, что приводит к увеличению в них давления до момента среза штифтов в патрубке подвесного устройства.

Штифты при определенном давлении срезаются, что приводит к уменьшению давления закачиваемого бурового раствора. Это уменьшение давления приводит к началу совместного движения по колонне разделительной пробки 1 с седлом 7 и подвесной пробки 9, которые разделяют буровой и тампонажный растворы внутри колонны.

После закачки цементировочными агрегатами необходимого объема бурового раствора, равного внутреннему объему колонны обсадных труб от подвесного устройства до башмака колонны, наконечник 12 подвесной пробки 9 начинает заходить в упорное кольцо 15, размещенное в муфте башмака колонны.

По окончании этого захода посадочный выступ 13 наконечника 12 с зубчатой наружной поверхностью садится в зубчатую поверхность упорного кольца 15, образуя беззамковое соединение.

После ожидания затвердения цемента осуществляют процесс разбуривания разделительной пробки 1, седла 7 с наконечником 4, подвесной пробки 9 с наконечником 12 и упорного кольца 15.

Бурильные трубы с долотом на их нижнем конце спускают в скважину без УБТ для осуществления процесса разбуривания вышеперечисленных деталей и узлов, что исключает создание большой нагрузки на долото.

Образование двух зубчатых беззамковых соединений исключают вращение разделительной пробки 1 в седле 7 и подвесной пробки 9 в упорном кольце 15. Отсутствие вращения приводит к уменьшению времени на разбуривание на 50-60%.

Формула изобретения

Устройство для цементирования обсадной колонны, содержащее разделительную пробку со стопорящим приспособлением на наконечнике и упорный элемент, а также подвесную пробку со стопорящим приспособлением на наконечнике и упорное кольцо, отличающееся тем, что в качестве стопорящего приспособления разделительной пробки верхний отдел цилиндрической части ее наконечника содержит втулку, выполненную с зубчатой наружной поверхностью, образованной зубьями, профиль которых в плоскости, параллельной оси разделительной пробки, представляет треугольник, а в качестве упорного элемента содержит седло, представляющее собой полый цилиндр, верхняя часть которого выполнена зубчатой с аналогичным профилем зуба с образованием при совмещении зубьев зубчатого беззамкового соединения, причем нижняя часть седла соединена с верхней частью подвесной пробки, имеющей в средней части наконечника в качестве стопорящего приспособления посадочный выступ с зубчатой наружной поверхностью, образованной зубьями, профиль которых в плоскости, параллельной оси подвесной пробки, представляет треугольник, а верхняя часть упорного кольца также выполнена зубчатой с аналогичным профилем зуба с образованием при совмещении зубьев зубчатого беззамкового соединения, причем число зубьев для обоих соединений пробок с седлом и упорным кольцом определено по следующей формуле:

где Z - количество зубьев в соединении, шт. ;
R - наружный радиус соединения, мм;
t - расстояние между вершинами зубьев, мм, при этом t = 2•h•tgα_в, где h - высота зуба, мм, α_в - половина угла при вершине впадины между зубьями, град.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6