Устройство для ступенчатого цементирования обсадных колонн
Владельцы патента RU 2584428:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" (RU)
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для ступенчатого цементирования обсадных колонн в скважинах. Технический результат - возможность освобождения канала устройства без разбуривания. Устройство включает корпус с отверстиями. С корпусом связаны втулки срезными элементами. В осевом канале корпуса установлен ствол с образованием кольцевой камеры, гидравлически связанной с осевым каналом ствола. Ствол выполнен со ступенчатой расточкой. В ней последовательно размещены посадочная втулка с внутренним кольцевым выступом, поджатая гайкой, и гильза с верхней цангой с лепестками. Их головки размещены внутри кольцевого выступа посадочной втулки. Имеется нижняя цанга с лепестками и посадочный клапан в виде стакана с седлом в осевом канале. Стакан установлен в осевом канале гильзы с возможностью опоры на кольцевой выступ лепестков нижней цанги. Имеется ступенчатая шторка с внешним кольцевым выступом, снабженным посадочным седлом, установленная внутри стакана с возможностью взаимодействия с головками лепестков верхней цанги. В кольцевой камере размещен механизм посадки в виде кольцевой втулки и полого штока. На нижнем конце штока размещен разжимной конус с ограничительным кольцом. Ствол снабжен гайкой с экструзивной шайбой и пакетом уплотнительных манжет. В стакане выполнены перепускные отверстия, совмещенные с отверстиями в теле гильзы и циркуляционными отверстиями в стволе. Кольцевая камера гидравлически связана радиальными отверстиями в корпусе с межтрубным пространством скважины. 3 ил.
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для ступенчатого цементирования обсадных колонн в скважинах.
Известно устройство для заканчивания скважин (см. а.с. №1186786, М., кл. Е21В 33/14, опубл. 23.10.85, бюл. №39).
Устройство включено в состав эксплуатационной колонны и состоит из фильтра, в осевом канале которого размещен цилиндрический патрубок. Кольцевой зазор между ними перекрыт пакером. В нижней части цилиндрического патрубка установлена срезная диафрагма с расположением ниже отверстий фильтра. Над фильтром установлена разбуриваемая диафрагма, выше которой размещена циркуляционная муфта в виде отверстия.
Устройство спускается в скважину на обсадной колонне. После цементирования обсадной колонны производится разбуривание верхней диафрагмы, с заменой бурового раствора на более легкую рабочую жидкость. В скважину спускают насосно-компрессорные трубы с эксплуатационным пакером.
Осуществляют подъем давления с обеспечением среза штифтов, соединяющих диафрагму с цилиндрическим патрубком, и ее сброс вниз в глухой башмак фильтра.
Проводят мероприятия по освоению и запуску скважины в эксплуатацию.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- наличие циркуляционной муфты, изображенной в виде отверстия в теле эксплуатационной колонны над диафрагмой, дает основание считать существование гидравлической связи осевого канала эксплуатационной колонны с осевым каналом фильтра, что при проведении цементажа неизменно приведет к попаданию тампонажного раствора как в полость фильтра, так и в продуктивный пласт;
- необходимость разбуривания диафрагмы негативно скажется на качестве цементажа, со снижением герметизирующих свойств цементного камня.
Известно устройство для цементирования эксплуатационных колонн с фильтром (см. а.с. №1654544, М., кл. Е21В 33/14, опубл. 07.06.91, бюл. №21).
Устройство устанавливается в эксплуатационной колонне, в нижней части которой закреплен фильтр с герметизирующим узлом - пакером.
Над пакером устанавливают с помощью переводника устройство для цементирования, на нижнем конце фильтра размещают башмак.
Устройство для цементирования состоит из корпуса, дополнительной втулки в осевом канале и втулки с глухим дном. В корпусе выполнены окна, перекрытые в исходном положении телом дополнительной втулки, в которой также выполнены боковые окна. Дополнительная втулка связана с корпусом срезными штифтами. В исходном положении окна дополнительной втулки совмещены с боковыми окнами корпуса и боковыми окнами втулки с глухим дном. Наружный диаметр втулки принят меньше внутреннего диаметра корпуса и фильтра. Дополнительная втулка и втулка с глухим дном связаны друг с другом срезными элементами.
Работа устройства.
Компоновку эксплуатационных колонн устройством производят обычным способом. В качестве герметизирующего узла может быть применен пакер.
В процессе спуска обсадной колонны происходит ее свободное заполнение пластовой жидкостью.
После спуска обсадной колонны осуществляют промывку скважины с герметизацией затрубного пространства пакером.
В обсадную колонну закачивают буферную жидкость и цементный раствор. После этого в колонну подают упругую пробку и продавливают буровым раствором до момента контакта с верхним торцем втулки с глухим дном. Затем, упруго деформируясь, упругая пробка заходит в осевой канал втулки с глухим дном. При расчетном перепаде давления штифты срезаются и обе втулки - дополнительная и с глухим дном - опускаются вниз до уступа внутри осевого канала корпуса. Боковые окна в теле корпуса герметично перекрываются. При расчетном перепаде давления, которое больше предыдущего, происходит срез штифтов, что способствует выходу втулки с глухим дном из осевого канала дополнительной втулки и падению внутрь фильтра, который остается открытым для поступления пластового флюида в полость колонны труб.
В случае необходимости углубления скважины втулки могут быть разбурены вместе с упругой пробкой.
Недостатки конструкции устройства:
- ненадежность последовательности срабатывания;
- разрушения срезных элементов, соединяющих дополнительную втулку с корпусом и втулкой с глухим.
Если разрушение срезного элемента, которым связаны втулка с глухим дном и дополнительная втулка, будет осуществлено раньше, чем разрушение срезного элемента, связывающего дополнительную втулку с корпусом, то устройство не выполнит свои функции, суть которых в изоляции затрубного пространства от внутритрубного, с недопущением возврата тампонажного раствора обратно.
Известно клапанное устройство для двухступенчатого цементирования обсадной колонны (см. а.с. №746085, М., кл. Е21В 33/14, опубл. 07.07.80, бюл. №25), принятое авторами за прототип.
Устройство состоит из корпуса с радиальными отверстиями, перепускными каналами, нижней втулки с опорным буртом и внутренним выступом, под которым выполнен кольцевой карман. В теле нижней втулки выполнены боковые отверстия и она связана срезными штифтами с корпусом. В осевом канале нижней втулки размещена составная ступенчатая втулка с разрезными пружинами лепестками, на которых установлена резиновая насадка. Сами лепестки имеют опорные выступы, которыми они входят во внутреннюю расточку в выступе нижней втулки. Ступенчатая втулка образует с телом нижней втулки кольцевую камеру, связанную радиальным отверстием с осевым каналом ступенчатой втулки под лепестками. Над нижней втулкой в осевом канале корпуса размещена верхняя втулка, снабженная пружинным фиксатором и связанная с корпусом срезным элементом. В осевом канале верхней втулки установлена гильза-седло, связанная с ней срезным элементом.
В теле корпуса, под верхней втулкой выполнена проточка для взаимодействия с фиксатором.
Корпус устройства связан с надувным пакером, полость которого связана гидравлическим каналом с осевым каналом корпуса. Для управления устройством используется шар и продавочная пробка.
Работа устройства.
После окончания первой ступени цементирования в скважину сбрасывается шар, с посадкой на резиновую насадку, охватывающую лепестки дополнительной втулки. С ростом давления происходит срез штифтов, соединяющих нижнюю втулку с корпусом, и ее перемещение вниз до совмещения ее боковых отверстий с гидравлическим каналом для посадки надувного пакера. После этого повышают давление до среза винтов на нижней втулке с ее перемещением вниз до упора ступенчатой втулкой в кольцевой выступ корпуса, с перекрытием гидравлического канала к надувному пакеру и открытием радиальных отверстий для подачи тампонажного раствора в межтрубное пространство скважины. Цементный раствор подается к устройству по бурильной колонне труб с продавливанием его разделительной пробкой, которая доводится до входа внутрь гильзы-седла, со срезом шпилек, соединяющих верхнюю втулку с корпусом.
Верхняя втулка с гильзой-седлом и пробкой перемещаются вниз, проталкивая нижнюю втулку до упора. После прохождения уплотнительного кольца через радиальное отверстие в теле ступенчатой втулки, с ростом давления внутри кольцевой камеры, ступенчатая втулка перемещается вверх, с разжимом лепестков дополнительной втулки в радиальном направлении и их расположением в проточке нижней втулки. При этом шар сбрасывается вниз. Верхняя втулка герметично перекрывает радиальные отверстия в корпусе. С ростом давления происходит срез штифтов, соединяющих гильзу-седло с верхней втулкой, и гильза-седло с разделительной пробкой сбрасывается вниз.
К недостаткам конструкции устройства можно отнести:
- сложность самой конструкции и технологических приемов для управления узлами устройства;
- затруднена сборка деталей устройства, например установка ступенчатой втулки, с пропуском лепестков с резиновой насадкой через сужение. При этом лепестки необходимо сжать, что сделать более чем проблематично;
- после среза штифтов, соединяющих верхнюю втулку с корпусом, произойдет резкое ее перемещение вниз, с сомнительным входом фиксатора в расточку корпуса;
- работоспособность устройства в момент прохода уплотнителя, в теле ступенчатой втулки, кольцевая камера оказывается замкнутой, и за счет перемещения нижней втулки вниз произойдет перемещение ступенчатой втулки вместе с шаром вверх. Но это перемещение вверх будет проходить до того момента, пока шар находится в контакте с телом резиновой насадки на лепестках ступенчатой втулки. Преждевременное раскрытие лепестков приведет к сбросу шара и давления как в осевом канале нижней втулки, так и в кольцевой камере. Это указывает на ненадежность срабатывания узлов устройства. Такое положение лепестков на ступенчатой втулке приведет к частичному перекрытию сечения осевого канала и может быть препятствием к дальнейшему пропуску вниз гильзы-седла с продавочной пробкой.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность обеспечения гидравлической связи осевого канала бурильной колонны труб с межтрубным пространством, перекрытым пакером;
- возможность изоляции внутритрубного пространства от межтрубного после окончания цементирования;
- возможность освобождения осевого канала устройства от стакана со ступенчатой шторкой без разбуривания.
Технический результат достигается тем, что устройство для ступенчатого цементирования обсадных колонн состоит из корпуса с отверстиями, срезных втулок, связанных с ним срезными элементами, посадочных седел в осевом канале, уплотнительного узла пакера, механизма посадки, ствола со ступенчатым осевым каналом, введенным в осевой канал корпуса, с образованием кольцевой камеры, гидравлически связанной с осевым каналом ствола, в которой размещены посадочная втулка с внутренним кольцевым выступом, поджимаемая гайкой. Ниже в стволе размещена гильза с верхней цангой с лепестками, головки которых размещены внутри кольцевого выступа посадочной втулки, и нижней цангой, лепестки которой снабжены внутренним кольцевым выступом. Посадочный клапан выполнен в виде стакана с седлом в осевом канале, размещенного в осевом канале гильзы с возможностью опоры на кольцевой выступ лепестков нижней цанги, и ступенчатой шторки с внешним кольцевым выступом, снабженным посадочным седлом, которая установлена внутри стакана, с возможностью взаимодействия с головками лепестков верхней цанги и связанной с ним срезным элементом. В кольцевой камере размещен механизм посадки в виде кольцевой втулки и полого штока, на нижнем конце которого размещен разжимной конус с ограничительным кольцом, а ствол снабжен гайкой с экструзионной шайбой и пакетом уплотнительных манжет. В стакане выполнены перепускные отверстия, совмещенные с отверстиями в теле гильзы и циркуляционными отверстиями в стволе, с кольцевой камерой, гидравлически связанной радиальными отверстиями в корпусе с межтрубным пространством скважины.
Конструкция устройства для цементирования скважин показана в разрезе на рисунках, где:
- на фиг. 1 - устройство в разрезе, в исходном положении деталей, включенное в состав обсадной колонны;
- на фиг. 2 - устройство в разрезе в положении изоляции межтрубного пространства пакером и образования гидравлической связи осевого канала обсадной колонны труб с затрубным пространством;
- на фиг. 3 - устройство в разрезе в положении изоляции внутритрубного пространства от затрубного после продавки тампонажного раствора и освобождения осевого канала от посадочного клапана.
Устройство для ступенчатого цементирования обсадных колонн в скважине состоит из корпуса 1 с переходником 2 на верхнем конце для соединения с колонной обсадных труб. На внутренней резьбе переходника 2 закреплен ствол 3, образующий с корпусом 1 кольцевую камеру 4, в которой размещена втулка 5, связанная срезным элементом 6 со стволом 3 и корпусом 1. Ниже места расположения втулки 5 в теле корпуса 1 выполнено отверстие 7 для гидравлической связи кольцевой камеры 4 с межтрубным пространством. В кольцевой камере 4 размещены кольцевая втулка 8 и полый шток 9 с разжимным конусом 10 на нижнем конце, выполненным с внутренним выступом, охватывающим ствол 3 с образованием подвижного соединения. На нижнем конце ствола 3 установлен пакет уплотнительных манжет 11 пакера, поджимаемый к разжимному конусу 10 гайкой 12, снабженной экструзионной шайбой 13. На внешней поверхности разжимного конуса 10 размещено ограничительное кольцо 14. Кольцевая втулка 8 и полый шток 9 связаны с корпусом 1 срезными элементами 15 и 16, соответственно.
Внутри ствола 3 выполнены резьба 17 и ступенчатая проточка 18, в которой установлена посадочная втулка 19 с внутренним кольцевым выступом 20, закрепленная гайкой 21. Ниже, в осевом канале ствола 3 установлена гильза 22 с верхней цангой 23, лепестки которой размещаются в расточке посадочной втулки 19 с опорой на выступ 20, и нижней цангой 24, головки 25 лепестков которой размещаются в стволе 3 под ступенчатой проточкой, с контактом своей внешней поверхностью с внутренней стенкой ствола 3. В теле ствола 3 выполнены циркуляционные отверстия 26, совмещенные с отверстиями 27 в теле гильзы 22, в осевом канале которой установлен посадочный клапан, состоящий из стакана 28, опирающегося торцем 29 на внутренний выступ 30, сформированный на головках 25 лепестков нижней цанги 24. Внутри стакана 28 выполнено седло 31 для установки шара 32. В осевом канале стакана 28 размещена ступенчатая шторка 33, с внешним кольцевым выступом 34, охватываемым лепестками верхней цанги 23. Внутри внешнего кольцевого выступа 34 выполнено посадочное седло 35. Ступенчатая шторка 33 связана со стаканом 28 срезным элементом 36.
В теле стакана 28 выполнены перепускные отверстия 37, расположенные на уровне циркуляционных отверстий 26 в стволе 3.
В осевом канале 38 ствола 3, ниже места расположения головок 25 лепестков нижней цанги 24 выполнена технологическая проточка 39, с возможностью размещения в ней головок 25 лепестков нижней цанги 24 при нахождении гильзы 22 в крайнем нижнем положении.
На внешней поверхности ствола 3 ниже места выполнения технологической проточки 39 выполнен уступ 40, в который упирается разжимной конус 10, входящий в контакт своей конусной поверхностью 41 с пакетом уплотнительных манжет 11. На нижнем конце ствола 3 выполнена присоединительная резьба 42 для соединения с трубами нижней секции обсадной колонны или фильтром (на фигуре не показано).
Кольцевая камера 4 постоянно гидравлически связана радиальными отверстиями 43 в корпусе 1 с межтрубным пространством.
Кольцевые зазоры между сопрягаемыми деталями изолированы уплотнительными кольцами.
Работа устройства.
Устройство включается в состав обсадной колонны труб между секциями первой и второй ступеней цементирования или между обсадной колонной труб и фильтровой частью колонны, не предназначенной к цементированию.
Осуществляют спуск обсадной колонны на заданную глубину.
При этом, по мере спуска компоновки, происходит свободное заполнение колонны через осевой канал ствола 3 устройства скважинной жидкостью.
Далее, в случае установки ниже устройства фильтра, не предназначенного к цементированию, после спуска колонны осуществляют сброс шара 32, с посадкой его на седло 31 в осевом канале стакана 28. В случае двухступенчатого цементирования сброс шара 32 осуществляют после закачки и продавки тампонажного раствора первой (нижней) ступени цементирования.
После посадки шара в колонне труб поднимают избыточное давление, при этом буферная жидкость через перепускные отверстия 37 в теле стакана 28, отверстия 27 в теле гильзы 22 и циркуляционные отверстия 26 в теле ствола 3 поступает в кольцевую камеру 4 с воздействием на площадь поперечного сечения кольцевой втулки 8 и торец полого штока 9.
По мере роста давления вначале происходит разрушение срезного элемента 16, соединяющего полый шток 9 с корпусом 1. Полый шток 9 при этом перемещается вниз, с воздействием разжимным конусом 10 на пакет уплотнительных манжет 11 пакера, с их радиальной деформацией вместе с экструзионной шайбой 13 к уплотняемой поверхности трубы предыдущей обсадной колонны и перекрытием кольцевого межтрубного пространства.
При дальнейшем росте давления в колонне и кольцевой камере 4 происходит разрушение срезного элемента 15, соединяющего кольцевую втулку 8 с корпусом 1. Кольцевая втулка 8 перемещается вверх до упора во втулку 5, при этом открывается гидравлическая связь осевого канала колонны труб с межтрубным пространством через радиальные отверстия 43 в теле корпуса 1 (см. фиг. 2). Этот момент отмечается на поверхности по падению давления в колонне.
После этого производится закачка расчетного объема тампонажного раствора, который, при нахождении кольцевой втулки 8 в крайнем верхнем положении, из осевого канала колонны труб, через перепускные отверстия 37, циркуляционные отверстия 26, совмещенные с отверстиями 27, подается в кольцевую камеру 4 и далее, через радиальные отверстия 43 в теле корпуса 1 - в межтрубное пространство скважины.
После закачки расчетного объема тампонажного раствора, с поверхности в обсадную колонну труб подают разделительную пробку или шар и ведут закачку продавочной жидкости в колонну, с доведением разделительной пробки или шара до гайки 21, с вводом в ее осевой канал и установкой на посадочное седло 35 в ступенчатой шторке 33.
Под действием избыточного давления ступенчатая шторка 33, вместе с разделительной пробкой (на фигуре не показана) перемещается внутри гильзы 22 после разрушения срезного элемента 36, с выходом кольцевого выступа 34 из взаимодействия с головками лепестков верхней цанги 23. Это приводит к выходу этих головок из взаимодействия с посадочной втулкой 19 и совместному перемещению стакана 28 с гильзой 22 вниз в ступенчатом осевом канале 38 ствола 3 до упора в выступ и расположением головок 25 лепестков нижней цанги 24 на уровне выполнения технологической проточки 39. При этом стакан 28 выходит своим торцем 29 из взаимодействия с внутренним выступом 30 на головках 25 лепестков нижней цанги 24 и сбрасывается на забой скважины (см. фиг. 3, разделительная пробка показана в виде шара на посадочном седле 35).
При расположении головок 25 лепестков нижней цанги 24 в технологической проточке 39 лепестки верхней цанги 23 располагаются под посадочной втулкой 19, что приводит к фиксации гильзы 22 внутри осевого канала 38 ствола 3 и перекрытию циркуляционных отверстий 26 телом гильзы 22, с изоляцией внутритрубного пространства от межтрубного.
В таком положении деталей ожидают затвердевание цемента и затем ведут освоение скважины.
Устройство для ступенчатого цементирования обсадных колонн, включающее корпус с отверстиями, срезные втулки, связанные с ним срезными элементами, посадочные седла в осевом канале, уплотнительный узел пакера, механизм посадки, отличающееся тем, что устройство снабжено стволом, установленным в осевом канале корпуса, с образованием кольцевой камеры, гидравлически связанной с осевым каналом ствола, со ступенчатой расточкой, в которой последовательно размещены посадочная втулка с внутренним кольцевым выступом, поджатая гайкой, гильза с верхней цангой с лепестками, головки которых размещены внутри кольцевого выступа посадочной втулки, нижней цанги с лепестками, снабженными внутренним кольцевым выступом, посадочный клапан в виде стакана с седлом в осевом канале, установленного в осевом канале гильзы с возможностью опоры на кольцевой выступ лепестков нижней цанги и ступенчатой шторки с внешним кольцевым выступом, снабженным посадочным седлом, установленной внутри стакана с возможностью взаимодействия с головками лепестков верхней цанги и связанной с ним срезным элементом, в кольцевой камере размещен механизм посадки в виде кольцевой втулки и полого штока, на нижнем конце которого размещен разжимной конус с ограничительным кольцом, а ствол снабжен гайкой с экструзивной шайбой и пакетом уплотнительных манжет, причем в стакане выполнены перепускные отверстия, совмещенные с отверстиями в теле гильзы и циркуляционными отверстиями в стволе с кольцевой камерой, гидравлически связанной радиальными отверстиями в корпусе с межтрубным пространством скважины.
