Центратор и обсадная колонна

 

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для центрирования обсадных колонн при креплении наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Центраторы выполнены в виде приваренных к обсадной трубе сегментных корпусов, в радиальных относительно оси колонны полостях которых размещены самовыдвигающиеся за счет перепада давления во внутри- и заколонном пространстве цилиндрические центрирующие органы, которые после выдвижения с принудительным подъемом участка колонны от нижней стенки скважины жестко фиксируются в новом рабочем положении. Центраторы расположены вдоль центрируемой части обсадной колонны по винтовой линии или в отдельных переводниках с расчетным шагом. Изобретение позволяет облегчить спуск колонны в горизонтальную и наклонно-направленную скважины. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Группа изобретений относится к буровой технике и предназначена для центрирования обсадных колонн при креплении наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Для центрирования обсадных колонн в наклонных и горизонтальных скважинах обычно применяются разработанные в свое время для вертикальных скважин центраторы с пружинными планками, идентичные приведенным в [1]. Однако жесткость таких центраторов невелика. В результате на наклонном участке ствола прогиб центратора накладывается на прогиб колонны от поперечных составляющих сил собственного веса на середине расстояния между двумя соседними центраторами. При этом, суммарная величина эксцентриситета смещения труб относительно оси скважины может оказаться излишне высокой, вызывающей образование у нижней стенки ствола застойной зоны, в которой промывочная жидкость не вытесняется цементным раствором. Герметичность заколонного пространства нарушается.

Эксцентричность смещения колонны снижается с увеличением жесткости центраторов. Поэтому для наклонных скважин более предпочтительно использование центраторов с более жесткими пружинными планками с поперечными [2] или лучше наклонными [3] гофрами. Еще выше жесткость планок с двумя [4] и большим количеством гофр и тем более с дополнительными пружинными планками [5, 6].

Резко возрастает жесткость центратора при замене пружинных планок пружинной втулкой [8]. Но в этом случае может затрудниться спуск обсадной колонны до проектной глубины.

Однако при использовании всех этих конструкций центраторов колонна имеет определенный прогиб уже в месте установки центраторов, возрастающий на середине расстояния между ними. Таким образом, известные центраторы неудовлетворительно выполняют функцию центрирования обсадной колонны.

Известен центратор, установленный в корпусе бурильного инструмента [9], включающий выдвижные опорные элементы, установленные в канале радиально относительно оси бурильной колонны. Для выдвижения и возврата в исходное положение опорных элементов предусмотрена целая система подпружиненных поршней, находящихся в сложном взаимодействии с опорными элементами.

Известный центратор в силу сложности своей конструкции не может быть установлен на обсадных трубах, имеющих довольно тонкую по сравнению с элементами компоновки низа бурильной колонны стенку.

Известна обсадная колонна [10], содержащая трубы с соединительными муфтами по концам и равномерно расположенными по периметру трубы продольными ребрами. Однако известная конструкция не может обеспечить качественного центрирования обсадной колонны в наклонных и горизонтальных скважинах. Кроме того, продольные ребра затрудняют спуск колонны в искривленный ствол скважины.

Наиболее близкой по существенным признакам является колонна обсадных труб [11], содержащая установленные по ее длине опорные элементы в виде рядов радиальных ребер, при этом ряды ребер расположены с одной стороны колонны обсадных труб, т.е. являются своеобразными эксцентричными ниппелями.

Недостатком такой конструкции является необходимость в ориентированном спуске колонны с последующим проворачиванием ее в скважине до максимально возможного удаления оси обсадных труб от нижней стенки ствола, что усложняет работы по цементированию, особенно в глубоких скважинах. В результате процесс центрирования такой колонной может оказаться практически неуправляемым.

Таким образом, возникла проблема создания обсадной колонны, оснащенной центраторами, простыми в изготовлении, надежными в эксплуатации и позволяющими в более полной мере осуществить центрирование обсадной колонны в наклонных или горизонтальных скважинах.

Технический результат - принудительное центрирование обсадной колонны на наклонном или горизонтальном участке ствола скважины при перепаде давления во внутри- и заколонном пространствах (Δp_кр), обеспечивающем отрыв колонны от нижней стенки ствола.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном центраторе, содержащем жестко закрепленный на стенке колонны корпус, во внутреннем цилиндрическом канале которого радиально к оси колонны размещен выдвижной центрирующий орган, согласно изобретению центрирующий орган со стороны оси колонны снабжен, по меньшей мере, двумя упругими элементами, например, сегментообразной формы, образующими кольцеобразные выемки на внешней цилиндрической поверхности и конусообразные выступы - у торца, при этом во внутреннем цилиндрическом канале корпуса выполнена кольцевая проточка с возможностью захода в нее конусообразных выступов.

Целесообразно корпус центратора выполнить сегментообразным.

Центрирующий орган может быть снабжен уплотнительными кольцами.

Наличие в центрирующем органе упругих элементов особой конфигурации с овальной полостью, кольцеобразными выемками и конусообразными выступами обуславливает выдвижение центрирующего органа под действием перепада давлений во внутри- и заколонном пространстве и фиксацию его в рабочем положении, что способствует отрыву колонны от нижней стенки ствола скважины и ее центрированию.

Выполнение корпуса центратора сегментообразным обеспечивает снижение сил сопротивления при спуске колонны.

Уплотнительные кольца необходимы для предотвращения перетока жидкости.

Вышеуказанный технический результат достигается также тем, что в известной обсадной колонне, содержащей установленные по ее длине центраторы, согласно изобретению центраторы выполнены с выдвижным центрирующим органом, размещенным в корпусе, при этом корпуса центраторов расположены вдоль центрируемой части обсадной колонны по винтовой линии или в отдельных переводниках с шагом и где: Δp - величина перепада давления в внутри- и заколонном пространстве в месте размещения центратора, мПа; Δp_кр величина перепада давления во внутри- и заколонном пространстве, обеспечивающая отрыв колонны от нижней стенки ствола, мПа; f - площадь поперечного сечения центрирующего органа, на которую действует перепад давления Р, см³; q - вес единицы длины труб обсадной колонны в скважине на центрируемом участке, кН/м; α - зенитный угол скважины, град; EI- жесткость поперечного сечения обсадной колонны на изгиб, кН см²;
[ν] - максимально допустимый прогиб колонны на длине одного шага, см;
Целесообразно корпус центратора закрепить на стенке обсадной колонны с зазором, обеспечивающим возможность установки между соседними корпусами центраторов гибких элементов, например дугообразных пружинных планок. Желательно на отдельных переводниках обсадной колонны разместить, по меньшей мере, 3 центратора.

Выполнение обсадной колонны с выдвижными центрирующими органами позволяет в наиболее полной мере уменьшить эксцентриситет смещения обсадной колонны относительно оси наклонного или горизонтального участка ствола скважины.

Размещение центраторов с шагом S, определяемым относительно перепада давления во внутри- и заколонном пространстве, обеспечивает принудительное центрирование и предотвращает прогиб колонны в месте размещения центраторов.

Размещение между корпусами центраторов гибких элементов, например пружинных вставок, облегчает спуск колонны в скважину.

На фиг.1 представлена конструкция центратора жесткого в продольном разрезе в транспортном положении при спуске в скважину, на фиг.2 - то же, но в рабочем положении, после срабатывания, с кислоторастворимой вставкой, на фиг. 3 - центратор в транспортном положении, поперечный разрез, на фиг.4 - в рабочем отцентрированном положении, на фиг.5 - вариант исполнения обсадной колонны с центраторами при спуске в скважину.

Центратор состоит из приваренного к обсадной трубе или переводнику 1 корпуса 2 (фиг.1), во внутреннем цилиндрическом канале 3 которого радиально к оси колонны размещен самовыдвигающийся за счет перепада давления во внутри и заколонном пространстве центрирующий орган 4, тыльный конец которого выполнен в виде двух или более сегментообразных элементов 5 (или, как вариант, кольцевых секторов), образующих овальную полость 6, при этом наружная цилиндрическая поверхность этих элементов имеет кольцеобразную выемку 7, а у торца - конусообразный выступ 8, а в цилиндрическом канале 3 корпуса 2 выполнена кольцевая проточка 9.

Для предотвращения перетока жидкости центрирующий орган 4 снабжен уплотнительными кольцами 10. В случае использования центратора для установки в зоне продуктивного горизонта в центрирующих органах 4 может быть выполнено сквозное отверстие, в котором на резьбе жестко закрепляются кислоторастворимые вставки 11 (фиг.2). Причем при использовании центраторов с кислоторастворимыни вставками 11, например из магниевого сплава, центрирующий орган 4 со стороны стенки скважины имеет кольцевой буртик для внедрения его в глинистую корку.

Для снижения сил сопротивления спуску обсадной колонны в скважину корпус 2 устройства выполнен сегментным. А между наружной цилиндрической поверхностью колонны 1 и смежной с ней поверхностью корпуса, как вариант, имеется радиальный зазор, в который дополнительно может быть вставлен расплющенный конец пружинной планки 12 (фиг.5).

Угол конусности со стороны стенки скважины конусообразного выступа 8 выполняется величиной 3...12^o относительно площади поперечного сечения центрирующего органа 4, а противоположный угол определяется усилием, развиваемым приспособлением для сборки центратора (не показано).

Каждая пара "корпус 2 - центрирующий орган 4" предварительно проверяется на давление срабатывания и паспортизируется, что позволяет координировать место установки центратора по длине обсадной колонны с гидравлическими потерями внутри- и в заколонном пространствах. Этим обеспечивается качественное технологическое управление процессом центрирования труб в скважине с помощью ценграторов, устанавливаемых одновременно, например, в зонах продуктивного и водоохранного комплексов. Причем в комплекте центраторов для скважины угол конусности со стороны стенки скважины конусообразного выступа 8 возрастает с приближением к башмаку обсадной колонны, т.е. со снижением перепада давления между внутри- и заколонным пространствами.

Работают центратор и обсадная колонна следующим образом. Корпуса 2 с расчетным шагом привариваются по винтовой линии (фиг.5) или по периметру специальных переводников (по три на каждом, не показано) к предварительно просверленной в местах приварки обсадной колонне с определенным шагом, рассчитываемым с учетом потерь гидравлического давления при цементировании внутри колонны и в затрубном кольцевом пространстве. Перед спуском в скважину в корпуса 2 с помощью специальных элементарной конструкции приспособлений 9 (не показано) вставляются соответствующие им по предварительно паспортизированному по результатам тарировки давлению срабатывания центрирующие органы 4. При необходимости, например, облегчения спуска обсадная колонна дополнительно оснащается и пружинными планками 12. Колонна с центраторами в транспортном положении (фиг. 1, 3) спускается в скважину. После спуска до проектной глубины с подачей жидкости за счет, в частности, гидравлического сопротивления на башмаке колонны внутри ее и в заколонном кольцевом пространстве на каждом центрирующем органе 4 создается перепад давления, принуждая его выдвигаться из корпуса 2 в рабочее положение (фиг.2) с одновременным принудительным отрывом участка колонны 1 от нижней стенки скважины и с фиксацией в этом новом положении после попадания конусообразного выступа 8 в кольцевые проточки 9 (фиг.4).

Очевидно, что принудительное центрирование может быть обеспечено только в том случае, если размещение центраторов по длине рассматриваемого участка ствола наклонной или горизонтальной скважины будет производиться с шагом, не превышающим какой-то допустимой величины [S]. Величина [S] определяется, исходя из классического решения задачи деформации упругой линии оси, защемленной по обоим концам балки изгибной жесткости EI под действием осевой сжимающей /+Р/ или растягивающей /-Р/ осевой нагрузки Р и поперечной составляющей сил собственного веса труб в жидкости q sinα на участке ствола с зенитным углом α при максимально допустимой величине прогиба [ν] колонны на интервале размещения центраторов. В конечном виде максимально допустимый интервал размещения центраторов [s] определяется из выражения

При отсутствии в рассматриваемом сечении колонны осевой нагрузки, т.е. при Р= 0, что будет иметь место на горизонтальном участке скважины, а также при относительно незначительных величинах осевых нагрузок, что характерно для мест размещения центраторов вблизи башмака обсадной колонны, т.е. практически в зонах продуктивных интервалов, вместо приведенного выражения может быть использована упрощенная формула

Очевидно, что допустимое расстояние [S] между центрирующими элементами при допустимом прогибе [ν] должно соответствовать и какой-то минимальной/критической - Δp_кр величине перепада давления во внутри и заколонной полостях, обеспечивающей отрыв колонны от нижней стенки ствола, т.е. должно удовлетворяться условие
Δp_кр•f = F = 10[S]qsinα,
откуда

здесь f - площадь поперечного сечения центрирующего органа 4 , на которую действует перепад давления Δp, F - усилие отрыва колонны.

Таким образом, при определении расстояния между центраторами расчет в первом приближении можно вести по двум участкам (при одной и той же величине зенитного угла и при условии пренебрежения величиной осевой нагрузки, что может иметь место для горизонтального участка ствола, а для наклонного - при расчете центрирования колонны в продуктивной части разреза скважины), разграниченным между собой величиной перепада давления Δp = Δp_кр. Соответственно сказанному, расстояние между центраторами, размещаемыми вдоль центрируемой части обсадной колонны по винтовой линии или в отдельных переводниках с шагом S, должно определяться, исходя из выражений:
- при перепаде давления во внутри и в заколонном пространстве в месте размещения центратора

откуда

А при
Δp>Δp_кр S≤[S].
Таким образом, в отличие от известных устройств предлагаемые конструкции центратора и обсадной колонны позволяют:
- использовать в одной и той же скважине минимальный по количеству комплект центраторов с различными давлениями срабатывания, соответствующими месту установки их по длине обсадной колонны и режимам цементирования скважины;
- получить высокую технологическую управляемость процессом цементирования обсадной колонны в наклонной скважине за счет использования набора устройств с предварительно откалиброванными, паспортизированными и технологически необходимым образом подобранными давлениями срабатывания;
- предупредить затрудненный спуск в скважину при наличии интенсивного локального искривления ствола или опасности прихватообразования дополнительным использованием, в том числе и пружинных планок, устанавливаемых между соседними центраторами;
- предупредить возможность возникновения аварийной ситуации в результате случайного преждевременного срабатывания центрирующих элементов, например, при ликвидации последствий прихвата;
- иметь облегченные условия сборки в условиях буровой.

Источники информации
1. А.с. СССР 1435748, Е 21 В 17/10, oп. 07.11.88.

2. А.с. СССР 1458550, Е 21 В 17/10, oп. 15.02.89.

3. А.с. СССР 1528892, Е 21 В 17/10, oп. 30.04.94.

4. А.с. СССР 1613566, Е 21 В 17/10, oп. 15.12.90.

5. А.с. СССР 1546608, Е 21 В 17/10, oп. 28.02.90.

6. А.с. СССР 1808979, Е 21 В 17/10, oп. 15.04.93.

7. А.с. СССР 1633084, Е 21 В 17/10, oп. 17.03.91.

8. А.с. СССР 1798473, Е 21 В 17/10, oп. 23.02.93.

9. А.с. СССР 1599520, Е 21 В 17/10, oп. 15.10.90.

10. Патент РФ 2010942, Е 21 В 17/00, оп. 15.04.94.

11. А.с. СССР 1266956, Е 21 В 17/10, оп. 30.10.86.

Формула изобретения

1. Центратор, содержащий жестко закрепленный на стенке колонны корпус, во внутреннем цилиндрическом канале которого радиально к оси колонны размещен выдвижной центрирующий орган, отличающийся тем, что центрирующий орган со стороны оси колонны снабжен, по меньшей мере, двумя упругими элементами, например, сегментообразной формы, образующими овальную полость и имеющими кольцеобразные выемки - на внешней цилиндрической поверхности и конусообразные выступы - у торца, при этом во внутреннем цилиндрическом канале корпуса выполнена кольцевая проточка с возможностью захода в нее конусообразных выступов.

2. Центратор по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен сегментным.

3. Центратор по п.1, отличающийся тем, что центрирующий орган снабжен уплотнительными кольцами.

4. Обсадная колонна, содержащая установленные по ее длине центраторы, отличающаяся тем, что центраторы выполнены с выдвижным центрирующим органом, размещенным в корпусе, при этом корпуса центраторов расположены вдоль центрируемой части обсадной колонны по винтовой линии или в отдельных переводниках с шагом

и с шагом

где Δp - величина перепада давления во внутри- и заколонном пространстве в месте размещения центраторы, МПа;
Δp_кр - величина перепада давления во внутри- и заколонном пространстве, обеспечивающая отрыв колонны от нижней стенки ствола, МПа;
f - площадь поперечного сечения центрирующего органа, на которую действует перепад давления, см²;
q - вес единицы длины труб обсадной колонны в скважине на центрирующем участке, кН/м;
α - зенитный угол скважины, град;
EI - жесткость поперечного сечения обсадной колонны на изгиб, кН/см²;
[υ] - максимально допустимый прогиб колонны на длине одного шага, см.

5. Обсадная колонна по п. 4, отличающаяся тем, что корпус центратора прикреплен к стенке обсадной колонны с зазором, обеспечивающим возможность установки между соседними корпусами центраторов гибких элементов, например пружинных планок.

6. Обсадная колонна по п.4, отличающаяся тем, что на каждом переводнике размещены, по меньшей мере, три центратора.

РИСУНКИ

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