устройство для испытания обсадной колонны на герметичность

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ, включающее переводник для соединения с колонной бурильных труб, корпус, с осевым каналом и отверстиями в стенке, сообщающими осевой канал с внешним пространством, установленный на наружной поверхности корпуса подвижный поршень с обечайкой, перекрывающей отверстия в стенке корпуса в исходном положении, уплотнительный элемент, установленный на наружной поверхности корпуса и взаимодействующий с неподвижной опорой, связанный с нижней частью корпуса патрубок со сквозными радиальными каналами и расточками в верхней и нижней частях с размещенными в них соответственно подпружиненными ступенчатыми втулками под бросовый шар и стаканом, отличающееся тем, что неподвижная опора расположена над уплотнительным элементом и связана с переводником, поршень расположен под уплотнительным элементом с возможностью взаимодействия с ним, а отверстия корпуса, связывающие его осевой канал с внешним пространством, расположены тангенциально под углом к осевому каналу и направлены в сторону патрубка, причем последний выполнен с дополнительной полостью, расположенной в средней части патрубка и имеющей в нижней части перфорированную перегородку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бурению, а именно к устройствам для испытания на герметичность обсадных колонн скважин.

Известен испытатель обсадных колонн на герметичность [1] содержащий переводник для соединения с колонной бурильных труб; корпус в виде цилиндра с крышками; ствол, размещенный в корпусе и соединенный с нижней крышкой; кольцевой поршень с толкателем, установленные в корпусе и на столе с возможностью перемещения; верхнюю опору, соединенную со стволом; уплотнительный элемент, установленный на стволе между опорами; запорный узел для перекрытия канала ствола, выполненный в виде диафрагмы.

Недостатком известного устройства является высокая трудоемкость эксплуатации, связанная с необходимостью раздельного нагнетания жидкости в бурильные трубы, на которых произведен спуск устройства в скважину, и в обсадную колонну. Кроме того известный испытатель рассчитан на однократное применение в скважине, после чего необходим его подъем на поверхность и перезарядка для последующего спуска. В случае же многократного, без подъема на поверхность, применения испытателя в скважине необходимы дополнительные трудозатраты на долив раствора в колонну бурильных труб при спуске устройства, либо подъем труб с сифоном, т.е. с раствором, остающимся в трубах, что при отвинчивании труб приводит к изливу раствора из трубы на пол буровой, его потере и ухудшению условий труда. И наконец, известный испытатель обладает ограниченными эксплуатационными возможностями, что объясняется следующим. Как известно, колонна бурильных или насосно-компрессорных труб, на которой производится спуск устройства в скважину, имеет вполне определенную величину нагрузки, которую можно приложить к колонне труб сверх ее собственного веса с учетом облегчения в буровом растворе, заполняющем скважину.

Эта допустимая нагрузка зависит от типа применяемых труб, толщины стенки, марки стали и веса труб, который зависит от длины колонны труб, т.е. от глубины, на которой устанавливается испытатель с целью испытания определенного участка обсадной колонны. В свою очередь растягивающая нагрузка, которая будет воздействовать на колонну бурильных труб при испытании, будет воздействовать на колонну бурильных труб при испытании, будет определяться внутренним диаметром обсадной колонны и требуемым давлением опрессовки. Так например, при испытании обсадной колонны диаметром D 219,1 мм с толщиной стенки S 10,2 мм и давлением опрессовки Р 25 МПа (250 кгс/см²) дополнительная нагрузка на бурильную колонну сверх ее веса составит:

Q (D-2t)²P 250=77500 кгс

В то же время колонна бурильных труб диаметром 127 мм с толщиной стенки 10 мм и погонной массой m 29,5 кг/м будет весить при длине L 3000 м М L m 3000 х 29,5 88500 кг. С учетом облегчения колонны бурильных труб в буровом растворе плотностью = 1100 кг/м³ вес труб в скважине при плотности стали = 7850 кг/м³ составит

M=M =88500 1100=76100 кгс Полная нагрузка на колонну составит:

G Q + M 77500 + 76100 153600 кгс. Согласно [Иогансен К.В. Спутник буровика. М. Недра, 1986, с.68, т.4, 19] растягивающая нагрузка до предела текучести для этих труб при достаточно высокой группе прочности Е составит Q_т 1550 кН 155000 кгс, а допустимая нагрузка при требуемом минимальном коэффициенте запаса прочности n 1,3 [Иогансен К.В. Спутник буровика. М. Недра, 1986, с.92]

[Q] 119230 кгс Таким образом условие G < [Q] не выполняется, так как

G 153600 кгс > [Q] 119230 кгс. Следовательно, для испытания обсадной колонны на требуемой глубине с требуемым давлением на скважино-точку необходимо завести трубы еще более высокой группы прочности. Если же глубина опрессовки обсадной колонны и давление превысят величины, приведенные в примере, то известный испытатель вообще может быть неприменим из-за отсутствия труб потребной прочности.

Известно устройство для испытания обсадной колонны на герметичность в скважине [2] содержащее корпус с осевым и радиальными каналами; установленный на наружной поверхности корпуса с возможностью ограниченного осевого перемещения поршень; уплотнительный элемент, установленный на наружной поверхности корпуса под поршнем и взаимодействующим с ним; опору, связанную с корпусом и расположенную под уплотнительным элементом; патрубок, жестко связанный с нижней частью опоры, в котором выполнена ступенчатая расточка и сквозные радиальные каналы в ее верхней ступени; подпружиненная ступенчатая втулка с седлом под посыльный шар, подвижно установленная в ступенчатой расточке патрубка с возможностью перекрытия радиальных каналов патрубка в рабочем положении устройства; подпружиненный стакан, подвижно установленный в расточке патрубка под ступенчатой втулкой.

Известно устройство значительно снижает трудоемкость испытания обсадной колонны, так как позволяет производить многократную опрессовку без подъема устройства из скважины. Его применение исключает долив труб и потери раствора. Однако эксплуатационные возможности известного устройства ограничены.

Кроме приведенного выше доказательства ограниченности применения, связанной с глубиной и давлением испытания, известное устройство не обеспечивает возможности использования для ликвидации обнаруженной негерметичности в обсадной колонне после ее спуска и крепления при наличии цементного моста в башмаке. Обычно ремонтные работы такого рода проводятся путем закачки цементного раствора на поглощение под давлением, превышающим давление гидроразрыва пластов в интервале расположения места негерметичности обсадной колонны.

Невозможность использования известного устройства для этого обусловлена тем, что после определения им места негерметичности, которое будет расположено над уплотнительным элементом, и прокачивании цементного раствора, последний, выходя через радиальные каналы, будет продавлен в отверстия, образующие негерметичность обсадной колонны. При этом некоторая часть цементного раствора должна оставаться в обсадной колонне. А так как на ОЗЦ (ожидание затвердевания цемента) необходима выдержка времени до 10 30 ч, то все это время в обсадной колонне над устройством необходимо сохранить давление (иначе цементный раствор будет вытеснен из затрубья обратно в колонну). Следовательно, во время ОЗЦ устройство должно оставаться неподвижным в интервале установки, что неизбежно влечет за собой прихват устройства в скважине вследствие схватывания цементного раствора над ним. Поэтому известное устройство не может быть использовано для ликвидации негерметичности в обсадной колонне, вследствие чего необходим его подъем после определения места негерметичности и последующий спуск другого оборудования, что повышает трудоемкость и затраты времени на проведение ремонтно-изоляционных работ. Кроме того известное устройство не обеспечивает надежности работы. Это обусловлено тем, что отработанные шары после каждого очередного поинтервального срабатывания размещаются в полости подпружиненного стакана. Тем самым по мере накопления шаров их суммарная масса и, следовательно, нагрузка на пружину, поддерживающую стакан в крайнем верхнем положении, увеличиваются, за счет чего пружина сжимается, а стакан постепенно перемещается вниз, уменьшая объем, необходимый для компенсации перемещения очередного шара через седло ступенчатой втулки. В конечном итоге при накоплении определенного количества шаров суммарный вес их достигнет величины, при которой пружина сожмется настолько, что стакан переместится в крайнее нижнее положение и очередной шар не будет продавлен через седло втулки и, следовательно, невозможен будет излив раствора из труб бурильной колонны при подъеме устройства на поверхность.

А это влечет за собой излив раствора из каждой очередной трубы при ее отвинчивании, приводит к потерям раствора, ухудшению условий работы и повышению эксплуатационных затрат.

Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей и снижение эксплуатационных затрат применяемого устройства.

Устройство для испытания обсадной колонны на герметичность в скважине, содержащее переводник для соединения с колонной бурильных труб; корпус с осевым каналом и сквозными отверстиями, соединяющими оcевой канал с полостью испытуемого участка обсадной колонны; установленный на наружной поверхности корпуса подвижный поршень с обечайкой, перекрывающей сквозные отверстия корпуса в исходном положении; уплотнительный элемент, установленный на наружной поверхности корпуса и взаимодействующий с поршнем; опору, связанную с корпусом и взаимодействующую с уплотнительным элементом; патрубок, в котором выполнена ступенчатая расточка и сквозные радиальные каналы в ее верхней ступени; подпружиненная ступенчатая втулка с седлом под посыльный шар, подвижно установленная в ступенчатой расточке патрубка с возможностью перекрытия радиальных каналов в рабочем положении устройства; подпружиненный стакан, подвижно установленный в расточке патрубка под ступенчатой втулкой; опора соединена с переводником и расположена над уплотнительным элементом; сквозные отверстия корпуса выполнены тангенциально и под углом к оcевому каналу направлены вниз; патрубок соединен с корпусом и дополнительно снабжен перегородкой, расположенной между полостями расточек ступенчатой втулки и стакана, а в перегородке выполнены сквозные отверстия, сообщающие эти полости.

Соединение опоры с переводником, размещение ее над уплотнительным элементом и соединение патрубка с корпусом, т.е. переворачивание корпуса с опорой и уплотнительным элементом вверх ногами обеспечивает по сравнению с прототипом нагнетание жидкости для опрессовки испытуемого участка обсадной колонны под уплотнительный элемент, устранение растягивающей нагрузки на бурильные трубы и замену ее на сжимающую нагрузку. Тем самым облегчаются условия эксплуатации колонны бурильных труб, которая в этом случае не будет испытывать дополнительных нагрузок сверх собственного веса. Наоборот, при испытании нагрузкой от давления опрессовки колонна бурильных труб будет облегчаться и, следовательно, снимаются ограничения на возможность применения устройства, связанные с типоразмерами и группами прочности труб, на которых производится спуск устройства, а также с давлением опрессовки, что способствует расширению эксплуатационных возможностей.

Это же обстоятельство (расположение сквозных отверстий корпуса под уплотнительным элементом) обеспечивает проведение ремонтно-изоляционных работ через устройство сразу после обнаружения места негерметичности, так как излив цементного раствора будет происходить под уплотнительный элемент и, следовательно, устраняется возможность образования цементного моста над устройством и последующей аварии с его прихватом.

Этому же способствует и тангенциальное выполнение сквозных отверстий и их направление под углом вниз к осевому каналу, что обеспечивает не "языковый" (струйный) излив цементного раствора из отверстий, а с завихрением потока вокруг патрубка. Последующая продавка через устройство бурового раствора или иной нецементирующей жидкости благодаря заявленному выполнению каналов обеспечит турбулентность на выходе потока из отверстий и надежную очистку патрубка от остатков цементного раствора. Выполнение каналов радиальными не обеспечивает такой возможности, так как направленный струйный излив продавочной жидкости вслед за пачкой цементного раствора может не размыть последний, а промыть в нем каналы, что может способствовать после ОЗЦ прихвату устройства.

Тем самым повышается надежность работы, устраняются предпосылки аварии и работ на ее ликвидацию и, следовательно, снижаются эксплуатационные затраты на применение.

Дополнительное снабжение патрубка перегородкой, расположенной между полостями ступенчатой расточки и расточки под стакан, обеспечивает сбор отработанных шаров не внутрь стакана, а на неподвижную перегородку над ним. Тем самым устраняется возможность сжатия пружины стакана от веса накапливаемых шаров и перемещения последнего в крайнее нижнее положение, чем обеспечивается повышение надежности работы и снижение эксплуатационных затрат, связанных с подъемом колонны бурильных труб с сифоном, когда смещение стакана не позволило бы продавить очередной шар через седло ступенчатой втулки.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, в исходном положении, разрез; на фиг.2 то же, в рабочем положении; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1.

Устройство для испытания обсадной колонны на герметичность включает (фиг. 1) предназначенный для связи с колонной бурильных труб (не показана) переводник 1, к которому присоединена опора 2. Снизу к опоре 2 присоединен корпус 3 с осевым каналом 4 и сквозными отверстиями 5. Hа наружной поверхности корпуса 3 установлен подвижный поршень 6 с обечайкой 7, в исходном положении перекрывающей отверстия 5. Между поршнем 6 и опорой 2 на корпусе 3 размещен уплотнительный элемент 8, выполненный из эластичного материала и взаимодействующий с поршнем 6, полость 9 которого сообщена с каналом 4 отверстием 10. К нижнему торцу корпуса 3 присоединен патрубок 11, в верхней части которого выполнена ступенчатая расточка 12. В верхней ступени 13 расточки 12 выполнены сквозные отверстия 14 и установлена подвижная ступенчатая втулка 15 с седлом 16 под посыльный шар 17 в осевом канале 18, взаимодействующая с пружиной 19 и в рабочем положении перекрывающая отверстия 14.

В нижней части патрубка 11 выполнена расточка 20, в котором установлен подвижный стакан 21, взаимодействующий с пружиной 22, удерживаемой крышкой 23 с отверстием 24.

Между расточками 12 и 20 в патрубке 11 выполнены канал 25 и полость 26, отделяемая от расточки 20 перегородкой 27, в которой выполнены отверстия 28. Отверстия 5 направлены под углом к полости 29 (фиг.1), выполненной в корпусе 3, и выполнены тангенциально к ней в поперечном сечении (фиг.3).

Устройство работает следующим образом.

В положении, показанном на фиг.1, устройство без посыльного шара 17 на колонне бурильных труб опускают в обсадную колонну 30, в башмаке (нижней части) которой установлен цементный мост после крепления. При этом жидкость из скважины заполняет колонну бурильных труб чеpез отверстия 14, канал 18, полость 29 и канал 4. После спуска устройства в требуемый интервал в колонну бурильных труб забрасывают шар 17 и включают насос для нагнетания жидкости. При посадке шара 17 на седло 16 канал 18 перекрывается и усилием от возрастающего давления над втулкой 15 последняя смещается вниз, сжимая пружину 19 и перекрывая отверстия 14 (фиг.2).

Одновременно через отверстие 10 давление жидкости передается в полость 9 и поршень 6 перемещается вверх, сжимая элемент 8, который при этом расширяется. При возрастании давления шар 17 продавливается через седло 16 и, пройдя расточку 12 и канал 25, падает в полость 26, где удерживается перегородкой 27. Давление жидкости через канал 18, расточку 12, канал 25, полость 26 и отверстия 28 передается на стакан 21, который перемещается вниз, сжимая пружину 22 и компенсируя перемещение шара 17 через седло 16. Дальнейшим повышением давления до величины давления пакеровки поршень 6 смещаются вверх, сжимая элемент 8, который входит в контакт со стенкой трубы обсадной колонны 30.

При этом обсадная колонна 30 будет разделена на две части верхний участок 31, не подверженный испытанию, и испытуемый участок 32, расположенный под элементом 8.

При давлении пакеровки обечайкой 7 будут открыты отверстия 5, через которые жидкость нагнетается в испытуемый участок 32 до требуемого давления опрессовки. После выдержки в течение необходимого времени и контроля герметичности давление в колонне бурильных труб снижают до величины давления пакеровки, при котором от расширяющегося элемента 8 поршень 6, смещаясь вниз, обечайкой 7 перекроет отверстия 5, произойдет разобщение полости устройства с испытуемым участком 32. При дальнейшем понижении давления в колонне бурильных труб перепадом давления между участком 32 и полостью устройства втулка 15 будет смещена вверх, открыв отверстия 14 и сообщив полости устройства и участка 32. Тем самым через колонну бурильных труб давление в испытуемом участке снимается до нуля, стакан 21 под действием пружины 22 возвращается в верхнее исходное положение, поршень 6 под действием расширяющегося элемента 8 смещается в нижнее исходное положение, происходит распакеровка, что контролируется на поверхности показаниями манометра и индикатора веса колонны бурильных труб, после чего устройство подымают на поверхность или перемещают в другой интервал, где повторяют цикл операций по контролю герметичности другого участка обсадной колонны, каждый раз забрасывая в колонну бурильных труб очередной шар 17, которые собираются в полости 26 и удерживаются перегородкой 27, не воздействуя своим весом на стакан 21.

При обнаруженной негерметичности 33 в колонне 30 устройство поднимают выше и через колонну бурильных труб прокачивают некоторый объем цементного раствора, который при срабатывании устройства (фиг.2) через отверстия 5 будет под давлением закачиваться в место негерметичности 33. При этом цементный раствор, а за ним и продавочная жидкость благодаря наклонному и тангенциальному выполнению отверстий 5 (фиг.3) будут поступать в полость участка 32 не компактной струей, а с вращением вокруг патрубка 11. Тем самым устраняется возможность образования застойной зоны из цементного раствора вокруг патрубка 11, чем исключается возможный прихват устройства в скважине. После прокачки заранее рассчитанного объема продавочной жидкости вслед за цементным раствором последний будет гарантированно смещен ниже патрубка 11, после чего устройство в положении, показанном на фиг.2, оставляют под давлением на время, необходимое для схватывания цемента, после чего снижают давление в колонне бурильных труб, затем в полости участка 32, производят распакеровку и подъем на поверхность.

Использование предлагаемого устройства расширяет эксплуатационные возможности и обеспечивает снижение эксплуатационных затрат при контроле герметичности обсадных колонн и их ремонте.