Пружинный центратор

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к центрирующим устройствам обсадных колонн. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности применения пружинного центратора. Пружинный центратор включает корпус с концевыми частями в виде колец и центрирующими ребрами, выполненными с отверстиями для соединения крепежными элементами. При этом крепежные элементы выполнены в виде трубок с внутренней резьбой и развальцованными концами. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к области строительства нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано для центрирования муфтовых и безмуфтовых обсадных колонн нефтяных и газовых скважин любых типов.

Известен упругий центратор сборно-разборной конструкции, выполненный с возможностью сборки непосредственно у скважины и включающий два кольца с фиксаторами в виде винтов и упругие ребра в виде дугообразных планок, соединенные на внешней поверхности указанных колец крепежными элементами, представляющими собой заклепки односторонней клепки или штифты (см. патент США №5097905, кл. Е21В 17/10, публ. 24.03.1992).

Центратор сложен по конструкции, применим преимущественно на безмуфтовых обсадных трубах, обладает низкой надежностью и эффективностью центрирования обсадной колонны, особенно на искривленных участках скважины. Эксплуатация центратора не исключает возможность попадания его частей в скважину из-за внешнего ненадежного крепления дугообразных планок на кольцах, что ограничивает область его применения.

Известен упругий центратор сборно-разборной конструкции, выполненный с возможностью сборки непосредственно у скважины и включающий два кольца, имеющих резьбовые отверстия и прорези, и упругие ребра в виде дугообразных планок, концы которых встроены в прорези и соединены на внешней поверхности указанных колец резьбовыми крепежными элементами, которые выполнены с возможностью установки в резьбовые отверстия колец и взаимодействия с обычными инструментами (шестигранный ключ, гаечный ключ), причем резьбовые крепежные элементы являются фиксаторами упругого центратора на обсадной трубе (см. международную заявку WO 2008134333, кл. E21B 17/10, публ. 06.11.2008 г.).

Главным недостатком центраторов сборно-разборной конструкции является возможность попадания в скважину частей центратора, т.е. низкая степень безопасности применения. Даже при аккуратной сборке центраторов на месте эксплуатации не избегают их поломок. При этом не исключается возможность попадания их частей в скважину из-за внешнего крепления дугообразных планок на кольцах. Такие центраторы опасно использовать в горизонтальных и наклонно-направленных скважинах во избежание образования посадок (заклинивания) колонны при спуске, что удорожает и усложняет работу по строительству скважины.

Наиболее близким по назначению, конструкции и применяемым элементам является пружинный центратор, включающий корпус с концевыми частями в виде колец и центрирующими ребрами, при этом в кольцах и центрирующих ребрах выполнены соответствующие отверстия для их соединения крепежными элементами (см. патент США №4545436, кл. Е21В 17/10, публ. 08.10.1985).

Центратор сложен. Кольца состоят из сегментов, сборка которых предусматривает несколько видов отверстий, U-образных элементов, вырезов в сегментах. Кроме того, неизбежная сборка центратора на месте эксплуатации в зависимости от обращения и аккуратности пользователя не исключает соответствующую опасность непроизвольной (случайной) потери частей.

Таким образом, указанные известные центраторы не универсальны, не обеспечивают безопасность применения, быстродействие и удобство обращения, легкость и низкую трудоемкость установки на обсадную колонну.

Задачей настоящего изобретения является создание новой конструкции центратора, лишенного приведенных выше недостатков.

Технический результат изобретения состоит в создании универсального надежного центратора для муфтовых и безмуфтовых обсадных колонн скважины, обеспечивающих безопасное применение, быстродействие установки, удобство обращения, легкость и низкую трудоемкость установки на обсадную колонну.

Технический результат достигается тем, что в пружинном центраторе, включающем корпус с концевыми частями в виде колец и центрирующими ребрами, выполненными с отверстиями для соединения крепежными элементами, крепежные элементы выполнены в виде трубок с внутренней резьбой и развальцованными концами, по меньшей мере нижнее кольцо и нижние концы центрирующих ребер выполнены с соответствующими отверстиями для размещения указанных трубок.

Предпочтительно кольца, центрирующие ребра и крепежные элементы выполнить с возможностью потайного соединения.

Целесообразно кольца соединить с центрирующими ребрами на внутренней поверхности колец.

Центрирующие ребра предпочтительно выполнить в виде упругих дугообразных планок.

Отверстия в по меньшей мере нижнем кольце и соответствующих концах центрирующих ребер целесообразно выполнить с конусностью под развальцованные концы трубок.

Предпочтительно крепежный элемент выполнить в виде пустотелой заклепки.

Целесообразно иметь фиксаторы центратора на обсадной трубе в форме пустотелого стержня с внешней резьбой для взаимодействия с резьбой крепежного элемента и режущей кромкой на торце для упора в обсадную трубу, причем указанный торец имеет внешний скос под углом от 25-35 градусов к оси стержня.

Предпочтительно в фиксаторе торец для упора в обсадную трубу выполнить с коническим углублением, по большему диаметру которого выполнена режущая кромка, причем указанный торец выполнить со скосом под углом 45-65 градусов для образования конического углубления.

Фиксатор целесообразно выполнить с углублением на другом торце под инструмент для ввинчивания его в крепежный элемент.

Предпочтительно фиксатор выполнить с возможностью выхода за пределы внутренней поверхности нижнего кольца центратора на расстояние 0,2-3 мм при упоре в обсадную трубу.

Толщина кольца центратора должна удовлетворять условию Нк=(0,7…1,4)Sp, где Sp - толщина центрирующих ребер.

Целесообразно в центраторе иметь отношение высоты к его ширине не менее чем 2:1.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображен пружинный центратор для муфтовых обсадных колонн (в разрезе).

Фиг.2 изображает увеличенный фрагмент А центратора на фиг.1 (с трубкой без резьбы).

На фиг.3 представлен пружинный центратор для безмуфтовых обсадных колонн (в разрезе).

Фиг.4 изображает увеличенный фрагмент Б центратора на фиг.3 (с трубками, имеющими резьбу).

На фиг.5 показан фиксатор центратора на обсадной трубе (в разрезе).

На фиг.6 изображен фиксатор центратора на обсадной трубе (вид слева).

На фиг.7 показано соединения фиксатора с резьбой трубки в центраторе на фиг.3.

Пружинные центраторы могут быть выполнены в двух вариантах:

- без фиксации на обсадной трубе;

- с фиксацией на обсадной трубе с помощью фиксаторов или фиксирующих винтов.

Пружинный центратор включает корпус с концевыми частями в виде нижнего и верхнего колец 1, 2 и центрирующими ребрами 3, выполненными в форме упругих дугообразных планок заданного профиля и сечения, количество которых может быть от 4 до 16. На фиг.1, 3 представлены центраторы с шестью центрирующими ребрами 3. Нижние и верхние кольца 1, 2 и центрирующие ребра 3 имеют соответствующие сквозные отверстия для установки специальных пустотелых заклепок - крепежных элементов в форме трубок 4 (фиг.2) с развальцованными концами и в форме трубок 5 (фиг.4) с развальцованными концами и внутренней резьбой 6. Указанные отверстия частично выполнены с конусностью под углом (а) 10-45 градусов в нижнем и верхнем кольцах 1, 2 и в нижних и верхних концах центрирующих ребер 3 под развальцованные концы соответствующих трубок 4, 5. Нижнее и верхнее кольца 1, 2 соединены с центрирующими ребрами 3 на внутренней поверхности указанных колец 1, 2.

Пружинные центраторы (фиг.1) могут эффективно применяться без фиксации на обсадной трубе, оснащенной муфтами (на фиг. не показано), при этом в них применяют крепежные элементы в виде трубок 4.

В пружинном центраторе (фиг.3) для безмуфтовых обсадных колонн крепежные элементы, соединяющие нижнее кольцо 1 с нижними концами центрирующих ребер 3, выполнены в виде трубок 5, а крепежные элементы, соединяющие верхнее кольцо 1 с верхними концами центрирующих ребер 3, выполнены в виде трубок 4. При этом центратор снабжен фиксаторами 7 (для его крепления на обсадной трубе) в форме пустотелого стержня с внешней резьбой 8 для взаимодействия с резьбой 6 крепежного элемента и режущей кромкой 9 на торце для упора в обсадную трубу. В фиксаторе 7 торец для упора в обсадную трубу выполнен с коническим углублением 10, по большему диаметру которого выполнена режущая кромка 9. Для образования режущей кромки указанный торец имеет внешний скос под углом (β) от 25-35 градусов к оси стержня 6 и скос под углом (φ) 45-65 градусов для образования конического углубления 10. Фиксатор 7 выполнен с отверстием 11, в частности, прямоугольной формы на другом его торце под инструмент (в частности, ключ) для ввинчивания его в трубку 5 и имеет длину, обеспечивающую возможность выхода его торца с режущей кромкой 9 за пределы внутренней поверхности нижнего кольца 1 на расстояние (L) от 0,2 до 3 мм для упора в обсадную трубу. Фиксаторы 7 изготавливают из материала, в том числе стали, твердость которого больше, чем твердость материала обсадной колонны. На центраторах для обсадных колонн в зависимости от их диаметра устанавливаются от трех до шести фиксаторов.

При этом не исключены варианты пружинных центраторов для безмуфтовых обсадных колонн, в которых верхние концы центрирующих ребер 3 могут быть соединены с верхним кольцом 2 любым известным методом, в том числе сваркой (на фиг. не показано). Для надежности корпуса центратора толщина колец центратора должна удовлетворять условию Нк=(0,7...1,4)Sцр, где Sцр - толщина центрирующих ребер. Отношение высоты центратора к его ширине составляет не менее 2:1. Пружинные центраторы предназначены для качественного центрирования обсадной колонны (из обсадных труб диаметром от 73 до 508 мм) в процессе ее цементирования и изготавливаются из высококачественной листовой стали. Центрирование обсадной колонны обеспечивается за счет заданных пружинных свойств центрирующих ребер в виде дугообразных планок центратора.

Пружинный центратор (фиг.1) без фиксации на обсадной трубе работает следующим образом. Перед спуском в скважину его надевают на обсадную трубу (на фиг не показано). Он имеет возможность осевого перемещения от муфты до муфты и вращения вокруг трубы колонны, что способствует лучшей проходимости при спуске в скважину. Его спускают вместе с колонной труб в участок скважины, где требуется обеспечить цементирование. Выполнение конструкции центратора с удлиненной обтекаемой формой и потайным соединением всех элементов его корпуса позволяет осуществить спуск без посадок, т.е. обеспечить высокую проходимость, поскольку центратор при спуске перемещается как бы скользя в скважине.

Пружинные центраторы (фиг.3) с фиксацией на обсадной трубе с помощью фиксаторов работают следующим образом. Пружинный центратор устанавливают на обсадную трубу в заданном месте. Закрепляют нижнее кольцо (обечайку) 1 пружинного центратора. Вставляют ключ, например четырехгранный, в соответствующее квадратное отверстие 11 фиксатора 7 и делают несколько оборотов, завинчивая их в отверстия трубок 5 до врезания острой режущей кромки 9 в материал обсадной трубы. Переставляют ключ к отверстию 11 следующего фиксатора 7. Таким образом проводят равномерное заворачивание всех фиксаторов 7. Выполнение фиксатора 7 пустотелым с острой режущей кромкой позволяет надежно фиксировать центратор на обсадной безмуфтовой колонне. Верхнее кольцо (обечайка) 2 не фиксируется.

Применение центраторов позволяет получить равномерный зазор между обсадной трубой и стенками скважины, что исключает возможность появления межпластовых перетоков (полная изоляция цементным камнем без разрывов), а, значит, существенно продлевает срок службы скважины. Возможно применение предлагаемых центраторов в скважинах с интенсивностью искривления ствола скважины более 5 градусов на 10 метров. Кроме того, малая ширина и профиль центрирующих ребер обеспечивают наиболее полное замещение бурового раствора цементным в затрубном пространстве на всей его длине.

Предлагаемый центратор имеет простую безопасную конструкцию, а также высокую эффективность работы в скважинах любого типа, в том числе с искривленным профилем, так как качественное центрирование исключает возможность прилегания труб к стенкам ствола скважины. Время установки центратора на обсадную колонну не более 1 минуты. Центратор имеет оптимальную металлоемкость, обеспечивает создание равномерного цементного кольца вокруг обсадной трубы.

1. Пружинный центратор, включающий корпус с концевыми частями в виде колец и центрирующими ребрами, выполненными с отверстиями для соединения крепежными элементами, отличающийся тем, что крепежные элементы выполнены в виде трубок с внутренней резьбой и развальцованными концами, по меньшей мере, нижнее кольцо и нижние концы центрирующих ребер выполнены с соответствующими отверстиями для размещения указанных трубок.

2. Центратор по п.1, отличающийся тем, что кольца, центрирующие ребра и крепежные элементы выполнены с возможностью потайного соединения.

3. Центратор по п.2, отличающийся тем, что кольца соединены с центрирующими ребрами на внутренней поверхности колец.

4. Центратор по п.1, отличающийся тем, что центрирующие ребра выполнены в виде упругих дугообразных планок.

5. Центратор по п.1, отличающийся тем, что отверстия в, по меньшей мере, нижнем кольце и соответствующих концах центрирующих ребер выполнены с конусностью под развальцованные концы трубок.

6. Центратор по п.1, отличающийся тем, что крепежный элемент представляет собой пустотелую заклепку.

7. Центратор по п.6, отличающийся тем, что он снабжен фиксаторами центратора на обсадной трубе в форме пустотелого стержня с внешней резьбой для взаимодействия с резьбой крепежного элемента и режущей кромкой на торце для упора в обсадную трубу, причем указанный торец имеет внешний скос под углом от 25-35° к оси стержня.

8. Центратор по п.7, отличающийся тем, что в фиксаторе торец для упора в обсадную трубу выполнен с коническим углублением, по большему диаметру которого выполнена режущая кромка, причем указанный торец имеет внешний скос под углом 45-65° для образования конического углубления.

9. Центратор по п.8, отличающийся тем, что фиксатор выполнен с углублением на другом торце под инструмент для ввинчивания его в крепежный элемент.

10. Центратор по п.8, отличающийся тем, что фиксатор выполнен с возможностью выхода за пределы внутренней поверхности нижнего кольца центратора на расстояние 0,2-3 мм при упоре в обсадную трубу.

11. Центратор по п.1, отличающийся тем, что толщина кольца центратора должна удовлетворять условию Нк=(0,7…1,4)Sp, где Sp - толщина центрирующих ребер.

12. Центратор по п.1, отличающийся тем, что отношение его высоты к ширине не менее чем 2:1.