устройство для подвески и герметизации потайной обсадной колонны

Формула изобретения

Устройство для подвески и герметизации потайной обсадной колонны, состоящее из полого корпуса, плашечно-поршневого узла, содержащего полый поршень, установленный в кожухе, соединенный цангой с клиновидными плашками, выполненными с возможностью перемещения по конусообразной опорной поверхности, и уплотнительно-нажимного узла, включающего уплотнительный элемент, опирающийся на прямоугольный выступ полого корпуса, отличающийся тем, что конусообразная опорная поверхность плашечно-поршневого узла образована полым корпусом, а уплотнительно-нажимной узел дополнительно содержит шлицевое соединение, состоящее из вала, соединенного с бурильной колонной, один конец которого выполнен в виде зубчатого колеса внешнего зацепления, и втулки, телескопически соединенной с полым корпусом с возможностью радиального вращения, внутренняя поверхность которой выполнена в виде зубчатого колеса внутреннего зацепления, состоящей из верхней цилиндрической части, имеющей кольцевую проточку, средней конической части и нижней цилиндрической части, на которую надеты пружинные разрезные кольца, причем прямоугольный выступ корпуса уплотнительно-нажимного узла имеет цилиндрическую проточку, боковая внутренняя поверхность которой имеет уклон в сторону основания проточки к ее внешней боковой поверхности, равный 1/25-1/50".

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть применено при креплении нефтяных и газовых скважин потайными обсадными колоннами.

Анализ существующего уровня показал следующее:

- известно устройство для подвески и герметизации потайных колонн, содержащее посадочный ниппель, муфту, направляющий патрубок, пластинчатую пружину, уплотнение, две втулки, соединенные срезными элементами и концентрично размещенными между уплотнителем и плашкой (см. а.с. 840301 от 27.09.79г. по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 23, 1981г.). Одна из втулок жестко связана с направляющим патрубком, а вторая установлена с возможностью взаимодействия с уплотнителем.

Недостатки известного устройства обусловлены неэффективностью работы, т. к. при значительных перепадах давления резина уплотнителя выдавливается в кольцевое пространство и может произойти ее разгерметизация. Кроме того, сложная и ненадежная конструкция подвески может привести к срыву потайной обсадной колонны;

- в качестве прототипа взято устройство для подвески и герметизации потайной колонны, состоящее из полого корпуса, уплотнительно-нажимного узла и плашечно-поршневого узла (см. а. с. 1740630 от 03.10.89 г. по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 22, 1992 г.). Уплотнительно-нажимной узел содержит уплотнительный элемент, опирающийся через опорное кольцо на прямоугольный выступ полого корпуса, а также конусообразную опорную втулку, связанную срезным элементом с полым корпусом. Плашечно-поршневой узел (узел подвески) имеет кожух с конической расточкой в верхней части, образующей с корпусом кольцевую полость, в которой установлен полый кольцевой поршень, соединенный цанговыми консолями с клиновидными плашками. Клиновидные плашки имеют наружные конические поверхности для взаимодействия с конической поверхностью кожуха в исходном положении устройства и внутреннюю коническую поверхность для взаимодействия с конической поверхностью опорной втулки в рабочем положении устройства.

Недостатки известного устройства обусловлены неэффективностью работы, т. к. работа плашечно-поршневого узла связана с уплотнительно-нажимным узлом посредством опорной втулки (см. позицию 9, фиг.1,2), которую конструктивно можно отнести к каждому из узлов. Автономной работы уплотнительно-нажимного узла не наблюдается. При срыве работы плашечно-поршневого узла, т.е. срыве подвески потайной колонны, герметизация затрубного (кольцевого) пространства невозможна. В таком случае возможны межколонные проявления и поглощения, а это связано с дополнительными работами по закачке тампонажного раствора за голову потайной колонны. Кроме того, при значительных перепадах давления резина уплотнительного элемента выдавливается в кольцевое пространство и может произойти его разгерметизация.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:

- повышается эффективность работы устройства за счет особой конструкции уплотнительно-нажимного узла, который автономен от плашечно-поршневого узла, т. е. от операций, связанных с подвеской потайной обсадной колонны, а также легко приводится в действие и обеспечивает качественное разобщение затрубного пространства.

Технический результат достигается с помощью известного устройства для подвески и герметизации, состоящего из полого корпуса, плашечно-поршневого узла, содержащего полый поршень, установленный в кожухе, соединенный цангой с клиновидными плашками, перемещающимися по конусообразной опорной поверхности, и уплотнительно-нажимного узла, включающего уплотнительный элемент, опирающийся на прямоугольный выступ полого корпуса, в котором по заявляемой конструкции конусообразная опорная поверхность плашечно-поршневого узла образована полым корпусом, а уплотнительно-нажимной узел дополнительно содержит шлицевое соединение, состоящее из вала, соединенного с бурильной колонной, один конец которого выполнен в виде зубчатого колеса внешнего зацепления, и втулки, телескопически соединенной с полым корпусом с возможностью радиального вращения, внутренняя поверхность которой выполнена в виде зубчатого колеса внутреннего зацепления, состоящей из верхней цилиндрической части, имеющей кольцевую проточку, средней конической части и нижней цилиндрической части, на которую надеты наружные пружинные разрезные кольца, причем прямоугольный выступ уплотнительно-нажимного узла имеет цилиндрическую проточку, боковая внутренняя поверхность которой имеет уклон в сторону основания проточки к ее внешней боковой поверхности, равной 1/25-1/50".

Анализ изобретательского уровня показал следующее.

Известны технические решения, содержащие на поверхности уплотнительных элементов разрезные или раздвижные кольца, металлические шайбы, раздвижные опоры, пакеты из металлических пластин, препятствующие затеканию материала уплотнительного элемента в кольцевом пространстве скважины (см. а.с. 158849 от 6.12.61 г., по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 23, 1963 г.; а.с. 358502 от 19.09.67 г. , по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 34, 1972 г.; а.с. 570696 от 27.03.73 г. , по кл. Е 21 В 33/12, опубл. ОБ 32, 1977 г.; а.с. 196012 от 30.03.66 г. , по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 11, 1967 г.; а.с. 313959 от 23.06.69 г. , по кл. Е 21 В 33/12, опубл в ОБ 27, 1971 г.; а.с. 1726730 от 29.07.88 г. , по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 14, 1992 г.; а.с. 173676 от 07.09.62 г., по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 16, 1965 г.).

Известны отдельные конструктивные элемента (узлы), работающие в технических решениях на радиальное уплотнение (см. патент РФ 2118442 от 27.08.98 г. , по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 24, 1998 г.; а.с. 1229313 от 28.06.84 г. , по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 17, 1986 г.; а.с. 1213175 от 14.03.84 г., по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 7, 1986 г.).

Известны шлицевые соединения, обеспечивающие крутящий момент и служащие в основном для перемещения подвижно соединенных деталей по резьбе (см. а.с. 1579982 от 26.07.88 г., по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 27, 1990 г.; а.с. 678179 от 19.12.77 г. , по кл. Е 21 В 33/14, опубл в ОБ 29, 1979 г.; а.с. 787619 от 08.12.78 г. , по кл.Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 46, 1980 г.; а.с. 909128 от 28.03.80 г. , по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 8, 1982 г.; а.с. 1752934 от 11.06.90 г., по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 29, 1992 г.; а.с. 899858, от 18.01.80 г., по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 3, 1982 г.; а.с. 1803533 от 28.02.90 г., по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ 11, 1993 г.; а.с. 1213176 от 11.04.84 г., по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 7, 1986 г.; а.с. 1408050 от 17.11.86г. , по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 25, 1988 г.; а.с. 1548406 от 3.08.87 г., по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 9, 1990 г.).

Нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие заявляемую конструкцию уплотнительно-нажимного узла, содержащего шлицевое соединение с оригинальной втулкой, которые в совокупности с пружинными разрезными кольцами и уклоном боковой поверхности проточки корпуса обеспечивают заявляемый технический результат. Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства и связями между ними. Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, то есть соответствует условию изобретательского уровня.

Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:

- на фиг.1 представлена конструкция устройства в продольном разрезе;

- на фиг.2 - разрез А-А по замкнутому шлицевому соединению;

- на фиг. 3 - тот же разрез после рассоединения шлицевого соединения и захода зубьев вала на втулку.

Устройство состоит (см. фиг.1) из полого корпуса 1, плашечно-поршневого узла, содержащего полый поршень 2, установленный в кожухе 3 и соединенный цангой 4 с клиновидными плашками 5, перемещающимися по конусообразной опорной поверхности 6, образованной полым корпусом 1, а также уплотнительно-нажимного узла. Последний содержит уплотнительный элемент 7, опирающийся на прямоугольный выступ 8 полого корпуса 1. Прямоугольный выступ 8 имеет цилиндрическую проточку 9, боковая внутренняя поверхность которой имеет уклон 10 в сторону основания проточки 9 к ее внешней боковой поверхности. Уклон 10 равен 1/25-1/50". В верхней части устройство содержит шлицевое соединение, состоящее из вала 11, соединенного с бурильной колонной 12, один конец которого выполнен в виде зубчатого колеса внешнего зацепления (см. фиг.2), и втулки 13, телескопически соединенной с полым корпусом 1 с возможностью радиального вращения. Ее внутренняя поверхность выполнена в виде зубчатого колеса внутреннего зацепления. Втулка 13 состоит из верхней цилиндрической части А, имеющей кольцевую проточку 14, средней конической Б и нижней цилиндрической части В, на которую надеты пружинные разрезные кольца 15.

Устройство работает следующим образом.

В собранном виде устройство соединяют с последней трубой потайной колонны и верхней частью бурильной колонны 12. Для изготовления элементов устройства используют утяжеленные бурильные трубы, изготовленные из следующих марок стали: 40Х, 40ХН, а уплотнительный элемент изготавливают из резины марки 7-В-14.

Спуск потайной колонны осуществляют по общепринятой технологии: скорость спуска в обсаженной части скважины не более 1м/с, в открытом стволе - не более 0,3 м/с, осуществляют периодические промывки через каждые 300 м и в случае необходимости долив бурового раствора через каждые 100 м. По достижению спуска потайной колонны проектной отметки осуществляют циркуляцию в течение 2 циклов насосом У8-6 до выравнивания параметров раствора согласно геолого-техническому наряду. Оборудуют бурильную колонну 12 цементировочной головкой ГУЦ с размещением в ней верхней секционной пробки. Обвязывают цементировочные агрегаты и цементосмесительные машины гидравлически через блок монифольдов БМ-700 и соединяют жесткой линией с ГУЦ. Приступают к затворению и закачке тампонажного раствора, используя цементосмесительные агрегаты ЦА-320 и цементосмесительные машины СМН-20. После затворения и закачки расчетного количества тампонажного раствора приступают к его продавке. Освобождают верхнюю секционную продавочную пробку в ГУЦ и вытесняют тампонажный раствор из бурильной колонны 12. По достижению нижней секционной пробки верхней продавочной пробкой наращиванием давления в колонне 12 срезают калиброванные штифты, удерживающие нижнюю секционную пробку. Продавливают пробки до стоп-кольца, вытесняя тампонажный раствор за потайную колонну. После получения момента "Стоп" поднимают давление в бурильной колонне выше рабочего на 5,0-7,0 МПа, срезают штифты, удерживающие клиновидные плашки 5 на конусообразной опорной поверхности 6 за счет перемещения полого поршня 2 в кожухе 3 под действием перепада давления. При этом клиновидные плашки 5, переместившись по конусообразной поверхности 6, заклинят корпус 1 устройства в промежуточной колонне, тем самым подвесив потайную колонну на клиновых плашках 5. Далее отсоединяют бурильную колонну 12 от потайной вращением вправо в лево-правом разъединителе. При вращении бурильной колонны 12 вал 11 шлицевого соединения передает вращение на втулку 13, вращающуюся на полом корпусе 1. Приподнимают бурильную колонну 12 на 1-2 м до выхода вала 11 из зацепления со втулкой 13. Вращают бурильную колонну 12 с валом 11, производя произвольное количество оборотов, и подают бурильную колонну вниз. При этом зубья вала 11 и втулки 13 шлицевого соединения смещаются в радиальном положении относительно друг друга, а затем садятся друг на друга (см. фиг.3), т. е. зубья вала 11 не совпадут с зубьями втулки 13. Далее разгружают бурильную колонну 12 на 2-6 т, производя перемещения втулки 13 вниз под уплотнительный элемент 7. При этом пружинные разрезные кольца 15 переместятся по средней конической части Б втулки 13 и попадут в кольцевую проточку 14, а дальнейшее перемещение втулки 13 совместно с пружинными разрезными кольцами 15 приведет к сжатию уплотнительного элемента 7, опирающегося на прямоугольный выступ 8 полого корпуса 1 в осевом направлении, а пружинные разрезные кольца 15 препятствуют вытеканию резины в результате воздействия давления, создаваемого под уплотнительным элементом 7. Цилиндрическая часть Б втулки 13 двигается по наружной поверхности полого корпуса 1, распирая уплотнительный элемент 7 в радиальном направлении, и заклинивается на уклоне 10, равном 1/25-1/50"". Величина этого уклона обеспечивает получение плотного контакта заклинивающих поверхностей за счет пластической деформации металла по металлу.

Таким образом происходит уплотнение уплотнительного элемента как в осевом, так и в радиальном направлениях и соответственно герметизация кольцевого (заколонного) пространства между потайной и ранее спущенной обсадной колоннами, что позволяет производить гидравлические испытания (опрессовку колонн), а также дальнейшее бурение из-под башмака потайной колонны, не опасаясь поступления флюидов в скважину.