Устройство для центрирования обсадных колонн

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности, к креплению обсадными колоннами скважин при их бурении на нефть и газ. Центратор состоит из центрирующих планок, прикрепленных к кольцам, размещаемым на обсадной трубе, и фиксирующего устройства, расположенного внутри колец центратора. Фиксирующее устройство выполнено в виде фиксирующего кольца, имеющего торцы, параллельные плоскости которых образуют с каждой из противоположно расположенных образующих кольца острый угол, у вершины которого размещены стопоры, опирающиеся о трубу. Под углом 90⁰ к ним в центре образующих фиксирующего кольца имеются стопоры, вокруг оси которых имеет возможность поворачиваться фиксирующее кольцо. Изобретение обеспечивает усиление закрепления фиксирующего кольца на теле трубы. 2 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности, к креплению обсадными колоннами скважин при их бурении на нефть и газ.

Известен центратор, состоящий из двух стальных колец, которые жестко скреплены между собой пружинными арочными планками [1]. Их фиксирование на обсадной колонне достигается путем размещения центратора по обе стороны муфты обсадной трубы.

Недостатками этой конструкции являются низкая центрирующая способность, ограниченная проходимость по стволу скважины и высокая металлоемкость.

Известен центратор жесткий со свободой вращения на обсадной трубе, зафиксированный от перемещения вдоль трубы двумя кольцами [2]. Такой центратор позволяет вращать обсадную колонну при цементировании, что повышает качество крепления.

Основной недостаток такого центратора заключается в его низкой проходимости и ненадежности закрепления на теле трубы. Так, при упоре фиксирующего кольца о случайное препятствие при спуске обсадной колонны при достаточно высокой нагрузке кольцо может сдвигаться вдоль обсадной трубы. Сдвинувшееся кольцо после этого может препятствовать свободному вращению центратора вокруг трубы, уменьшая тем самым его проходимость по стволу скважины, что не обеспечивает необходимое качество крепления.

Целью изобретения является создание центратора для центрирования обсадных колонн, обеспечивающего повышение проходимости центратора по стволу скважины за счет надежного фиксирования его на теле обсадной трубы и исключающего ограничение ее свободы вращения в центраторе.

Поставленная цель достигается тем, что в центраторе имеется фиксирующее устройство, выполненное в виде фиксирующего кольца и снабженное четырьмя стопорами, причем параллельные плоскости торцов фиксирующего кольца образуют с каждой из противоположно расположенных образующих фиксирующего кольца острый угол, а у их вершин размещены стопоры, опирающиеся о трубу, а под углом 90° к ним в центре образующих фиксирующего кольца имеются стопоры, вокруг оси которых фиксирующее кольцо имеет возможность поворачиваться.

Такое сочетание и форма элементов центратора позволяет сохранять его зафиксированное положение на обсадной трубе при ее движении по стволу скважины, а возникающие осевые нагрузки на центратор передаются от одного из двух колец фиксирующему кольцу на его выступающие торцы со стороны стопоров у острых углов, только усиливает прижим противоположных торцов фиксирующего кольца к телу трубы.

На фиг.1 показана конструктивная схема центратора, а на фиг.2 - схема положения контура фиксирующего кольца и приложения действующих на него сил при движении по стволу скважины.

Центрирующие планки 4 центратора крепятся на двух кольцах 1 и 2, а фиксирующее кольцо 3 располагается между ними. Параллельные плоскости торцов фиксирующего кольца 3 не перпендикулярны к его оси; образующие фиксирующего кольца расположены под острым углом к этим плоскостям.

У острых углов на линии этих образующих расположено два стопора 6, а два стопора 7 расположены по отношению стопоров 6 под углом 90° в центре образующих фиксирующего кольца.

Твердость стопоров 6 и 7 превосходит твердость тела трубы 5 за счет использования для их изготовления специального материала или за счет термообработки или за счет того и другого мероприятия. Стопоры 7 выполняют роль проходящей через них оси, вокруг которой поворачивается фиксирующее кольцо 3 при максимальном натяге стопоров 6. При этом возрастает усилие прижима внутренней поверхности фиксирующего кольца 3 к телу обсадной трубы 5 в той ее части, которая расположена в вершине тупого угла, образуемого образующей, проходящей через ось стопоров 6, и плоскостью торцов кольца 3.

Такая конструктивная схема исполнения фиксирующего кольца 3 позволяет, сохраняя свободу вращения центратора на теле трубы, надежно удерживать его против перемещения вдоль обсадной трубы: при встрече случайного препятствия при движении обсадной колонны по стволу скважины усилие, воспринимаемое центратором, передается через его кольца 1 или 2 на ту торцевую часть фиксирующего кольца 3, у которой расположен стопор 6. Это усилие вызывает некоторый поворот фиксирующего кольца 3 вокруг оси, проходящей через стопоры 7, и повышает усилие прижима фиксирующего кольца 3 к телу обсадной трубы 5. Возрастание прижима увеличивает сопротивляемость скольжения фиксирующего кольца 3 на обсадной трубе 5, и чем больше усилие, стремящееся сдвинуть фиксирующее кольцо 3, тем больше эта сопротивляемость.

Пример:

Диаметр обсадной колонны 146 мм, минимальный минусовой допуск на диаметр 1%, т.е. 1,46 мм, следовательно, минимальный диаметр трубы может быть

Максимальный плюсовой допуск также 1%, тогда максимальный диаметр трубы может быть

Следовательно, внутренний диаметр фиксирующего кольца должен быть d_ф≥148 мм.

Принимаем на фиг.2 AN=144,54, AL=147,46.

Ширину кольца, за которую принимаем расстояние между торцевыми плоскостями, мысленно проходящими через стопоры 6, на которых лежат линии АВ и DC, т.е. расстояние ВС=AD=55 мм.

При фиксировании фиксирующего кольца на трубе путем натяжения, в первую очередь, стопора 6, ось которого проходит через точку В при незафиксированных стопорах 7, происходит поворот фиксирующего кольца вокруг точки А.

Определим, какой необходимо принять в конструкции фиксирующего кольца 3 угол β, чтобы при предельном натяжении стопоров 6 и при отсутствии деформации кольца и трубы оставался бы некоторый угол α=2°, чтобы кольца центратора упирались бы только в выступающую часть фиксирующего кольца, находящуюся в вершине острого угла у стопора 6. Покажем также, что с увеличением сдвигающего фиксирующее кольцо 3 усилия F, увеличивается сопротивляемость этому сдвигающему усилию в связи с увеличением прижимающего усилия F¹ в точке С¹.

На фиг.2 параллелепипед ABCD, образуемый плоскостью сечения, проходящей через оси стопоров 6 и ось фиксирующего кольца, и внутренними образующими, также проходящими через оси указанных стопоров, штриховыми линиями показано положение параллелепипеда после максимального натяга стопоров 6 в точках В (после натяга В¹) и D (после натяга D¹).

Нетрудно по принятым данным найти, что

β=5°40'; F¹=0,123F.

Откуда видно, что перекос торцевых плоскостей относительно образующей, проходящей через стопоры 6, должен быть β=5°40', чтобы после закрепления (фиксирования) кольца 3 на трубе 5 стопорами 6 с максимальным натягом оставался угол α=2°, обеспечивающий передачу усилия F и прижимающее усилие F¹.

Источники информации

1. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах, Том 1. - М.: Недра, 1985, с.328.

2.Composite catalog of oil filld equipment & services, 43 rd edition 1998-1999. in 2 volumes, 1 vol., A Gulf pablishing Company Pablication, p.483.

Формула изобретения

Центратор для центрирования обсадных колонн, состоящий из центрирующих планок, прикрепленных к кольцам, размещаемым на обсадной трубе и фиксирующего устройства, расположенного внутри колец центратора, отличающийся тем, что фиксирующее устройство выполнено в виде фиксирующего кольца, имеющего торцы, параллельные плоскости которых образуют с каждой из противоположно расположенных образующих кольца острый угол, у вершины которого размещены стопоры, опирающиеся о трубу, а под углом 90⁰ к ним в центре образующих фиксирующего кольца имеются стопоры, вокруг оси которых имеет возможность поворачиваться фиксирующее кольцо.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2