способ герметизации межколонного пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ герметизации межколонного пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной, включающий обрезание кондуктора и эксплуатационной колонны на расчетной высоте от нулевой отметки площадки скважины, установку на устье скважины последовательно по частям устройства для герметизации межколонного пространства, содержащего корпус с внутренним продольным сквозным каналом разных диаметров и сквозным радиальным каналом, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны и герметизирующие элементы, проведение операций по захвату эксплуатационной колонны, ее подвеске и уплотнению герметизирующих элементов, отличающийся тем, что расчетную высоту обрезания кондуктора принимают равной высоте установки устьевой арматуры, обрезание эксплуатационной колонны производят на уровне не ниже плоскости фланца под устьевую арматуру, используют устройство для герметизации межколонного пространства, в котором корпус выполнен из двух соединяемых между собой на резьбе верхней и нижней втулок ступенчатой формы, верхняя втулка корпуса выполнена с наружной резьбой на верхнем конце, внутренней резьбой на нижнем конце, с наружным уступом под верхний торец кондуктора и с наружным диаметром ниже уступа под внутренний диаметр кондуктора, с верхнего конца в верхней втулке внутри выполнена кольцевая проточка и кольцевой канал с внутренним уступом под верхний герметизирующий элемент, под которым в теле верхней втулки выполнен сквозной радиальный канал, нижняя втулка снаружи выполнена ступенчатой формы с меньшим наружным диаметром выше наружного уступа и наружной резьбой на ее верхнем конце для соединения с верхней втулкой корпуса, внутренний продольный канал ее выполнен под наружный диаметр эксплуатационной колонны, а наружный диаметр нижней втулки ниже наружного уступа выполнен под внутренний диаметр кондуктора, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны выполнены в теле нижней части нижней втулки корпуса в виде наклонно расположенных снаружи внутрь к продольной оси втулки не менее трех по ее окружности цилиндрических каналов, нижние открытые концы которых выведены во внутренний продольный канал нижней втулки для заведения в каналы сверху шариков и пружин, при этом до установки в межколонное пространство устья скважины устройства для герметизации производят его предварительную сборку, согласно которой в наклонные цилиндрические каналы нижней втулки заводят шарики, устанавливают над ними сверху пружины и винтовыми заглушками производят требуемое их сжатие, на наружный уступ нижней втулки устанавливают нижние герметизирующие элементы с распорными кольцами, на верхнюю часть нижней втулки навинчивают по резьбе верхнюю втулку без сжатия нижних герметизирующих элементов между нижним торцем верхней втулки и наружным уступом нижней втулки, после чего предварительно собранное устройство внутренним продольным каналом нижней втулки надевают на верхний конец эксплуатационной колонны и опускают до упора наружного уступа верхней втулки на верхний торец кондуктора, после чего в кольцевую проточку на внутренний уступ с верхнего конца верхней втулки устанавливают верхний герметизирующий элемент с распорными кольцами, а операции по захвату эксплуатационной колонны, по ее подвеске и по уплотнению верхнего и нижних герметизирующих элементов производят одновременно путем навинчивания сменного фланца под устьевую арматуру по резьбе на верхний конец верхней втулки корпуса устройства.

2. Устройство для герметизации межколонного пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной, содержащее корпус с внутренним продольным сквозным каналом разных диаметров и сквозным радиальным каналом, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны и герметизирующие элементы, отличающееся тем, что корпус выполнен из двух соединяемых между собой на резьбе верхней и нижней втулок ступенчатой формы, при этом верхняя втулка корпуса выполнена с наружной резьбой на верхнем конце, внутренней резьбой на нижнем конце, с наружным уступом под верхний торец кондуктора и с наружным диаметром ниже уступа под внутренний диаметр кондуктора, с верхнего конца в верхней втулке внутри выполнена кольцевая проточка и кольцевой канал с внутренним уступом, в которой размещен верхний герметизирующий элемент с распорными кольцами, сквозной радиальный канал выполнен под внутренним уступом в теле верхней втулки, нижняя втулка снаружи выполнена ступенчатой формы с меньшим наружным диаметром выше наружного уступа и наружной резьбой на ее верхнем конце для соединения с верхней втулкой корпуса, внутренний продольный канал нижней втулки выполнен под наружный диаметр эксплуатационной колонны, а наружный диаметр нижней втулки ниже наружного уступа выполнен под внутренний диаметр кондуктора, между нижним торцем верхней втулки и наружным уступом нижней втулки размещены нижние герметизирующие элементы с распорными кольцами, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны выполнены в теле нижней части нижней втулки корпуса в виде наклонно расположенных снаружи внутрь к продольной оси втулки не менее трех по ее окружности цилиндрических каналов, нижние открытые концы которых выведены во внутренний продольный канал нижней втулки, в наклонные цилиндрические каналы заведены шарики, сверху их - пружины, поджимаемые винтовыми заглушками, на верхнюю втулку корпуса с ее верхнего конца на резьбе установлен сменный фланец под устьевую арматуру.

3. Устройство для герметизации по п.2, отличающееся тем, что нижний конец нижней втулки выполнен конусным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначается для герметизации межколонного кольцевого пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной. Изобретение может быть использовано как на скважинах, находящихся в эксплуатации, так и на вновь строящихся скважинах.

По патенту РФ №2002030, М.Кл⁵ Е21В 33/00, Е 21 В 33/03 (заявлено 22.05.92, опубликовано 30.10.93, Бюл. №39-40) известно изобретение под названием “Устройство для герметизации межтрубного пространства скважины”, которое принимаем за аналог.

Способ по аналогу включает в себя соединение с внутренней колонной труб конического корпуса с буртом на верхнем основании, установку на корпус винтовой пружины сжатия, размещение самоуплотняющейся манжеты на внутреннюю колонну под пружину в межтрубном пространстве между наружной и внутренней колоннами, выполнение сквозного радиального отверстия во внутренней колонне ниже манжеты для сообщения полости внутренней колонны с межтрубным пространством, перекрытие которого производят путем подачи повышенного давления во внутреннюю колонну труб.

Устройство, реализующее способ по аналогу, включает в себя связанный с внутренней колонной труб конический корпус с буртом на верхнем основании, самоуплотняющуюся манжету, установленную в межтрубном пространстве на внутренней колонне труб с возможностью упора ее в бурт конического корпуса, и винтовую пружину сжатия, установленную на корпусе между буртом и самоуплотняющейся манжетой. При этом ниже манжеты во внутренней колонне выполнено сквозное радиальное отверстие.

Недостатком известных по аналогу способа и устройства является то, что для герметизации межтрубного пространства скважины во внутренней колонне труб необходимо выполнить сквозное радиальное отверстие, а процесс герметизации межтрубного пространства может быть осуществлен только при создании повышенного давления в колонне внутренних труб, что имеет ограниченное использование при эксплуатации скважин.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому изобретению по совокупности наибольшего числа существенных признаков из числа известных аналогов того же назначения, по нашему мнению, является техническое решение по оборудованию обвязки обсадных колонн типа ОКК1, сведения о котором опубликованы в книге автора Г.М.Гульянц “Справочное пособие по противовыбросовому оборудованию скважин”, Москва, “Недра”, 1983 г., с. 26-29.

Способ герметизации межколонного пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной по прототипу включает следующие операции: обрезание кондуктора и эксплуатационной колонны на расчетной высоте от нулевой отметки площадки скважины, установку на устье скважины последовательно по частям устройства для герметизации межколонного пространства, содержащего корпус с внутренним продольным сквозным каналом разных диаметров и сквозным радиальным каналом, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны и герметизирующие элементы, проведение операций по захвату эксплуатационной колонны, ее подвеске и уплотнению герметизирующих элементов.

Устройство, реализующее способ по прототипу, представляет собой колонную головку и содержит корпус с внутренним продольным сквозным каналом разных диаметров и сквозным радиальным каналом, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны и герметизирующие элементы.

Недостатком известных по прототипу способа и устройства является то, что при их реализации требуется обязательное проведение сварочных работ на устье скважины. Например, по техническим условиям является обязательным и необходимым произвести приварку торца эксплуатационной колонны к фланцу головки - см., например, с.26 указанной выше книги автора Г.М.Гульянц. Сварочные работы сами по себе являются сложным и трудоемким процессом в исполнении, что увеличивает трудоемкость работ.

При этом сварочные работы на устье скважины безопасны, не представляют опасности для работающего персонала, могут быть проведены только на вновь строящихся скважинах до вскрытия продуктивного пласта.

Реализация технического решения по прототипу на скважинах, находящихся в эксплуатации, для проведения сварочных работ требует значительных трудозатрат на подготовительные работы по обеспечению безопасности работающего персонала, так как необходимо отключить от скважины продуктивный пласт, произвести очистку площадки и устья скважины от нефтепродуктов, принять меры по оказанию помощи работающему на скважине персоналу в случае возникновения опасных ситуаций (необходимо присутствие на скважине при проведении сварочных работ медицинских работников, передвижной пароустановки и пожарной машины).

При этом на скважинах, находящихся в эксплуатации, указанные работы осложняются проведением дополнительных работ. Так, на практике повсеместно при таких работах на кондуктор устанавливают фальш-муфту и обваривают ее изнутри и снаружи, что также увеличивает трудоемкость работ и трудозатраты.

Кроме указанного выше, известное по прототипу устройство имеет большую массу, т.к. корпус колонной головки выполнен из стального литья.

Целью предлагаемого изобретения является достижение нового технического результата, а именно:

- повышение промышленной безопасности проведения работ на устьях нефтегазодобывающих скважин при герметизации межколонного пространства между кондуктором и эксплуатационной колонной скважины за счет полного исключения сварочных работ;

- снижение трудоемкости работ и трудозатрат в условиях работы на устье скважины;

- снижение металлоемкости устройства.

Указанная цель предлагаемого изобретения достигается тем, что в известный способ герметизации межколонного пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной, включающий обрезание кондуктора и эксплуатационной колонны на расчетной высоте от нулевой отметки площадки скважины, установку на устье скважины последовательно по частям устройства для герметизации межколонного пространства, содержащего корпус с внутренним продольным сквозным каналом разных диаметров и сквозным радиальным каналом, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны и герметизирующие элементы, проведение операций по захвату эксплуатационной колонны, ее подвеске и уплотнению герметизирующих элементов, в заявляемое изобретение нами предложено ввести новые условия проведения известных операций способа и предложено новое устройство для реализации способа с особенностями выполнения, взаимного расположения и порядка сборки его элементов, а именно: расчетную высоту обрезания кондуктора принимают равной высоте установки устьевой арматуры, обрезание эксплуатационной колонны производят на уровне не ниже плоскости фланца под устьевую арматуру, в устройстве для герметизации межколонного пространства корпус выполняют из двух соединяемых между собой на резьбе верхней и нижней втулок ступенчатой формы, при этом верхнюю втулку корпуса выполняют с наружной резьбой на верхнем конце, внутренней резьбой на нижнем конце, с наружным уступом под верхний торец кондуктора и с наружным диаметром ниже уступа под внутренний диаметр кондуктора, с верхнего конца в верхней втулке внутри выполняют кольцевую проточку и кольцевой канал с внутренним уступом под верхний герметизирующий элемент, под которым в теле верхней втулки выполняют сквозной радиальный канал, нижнюю втулку снаружи выполняют ступенчатой формы с меньшим наружным диаметром выше наружного уступа и наружной резьбой на ее верхнем конце для соединения с верхней втулкой корпуса, внутренний продольный канал ее выполняют под наружный диаметр эксплуатационной колонны, а наружный диаметр нижней втулки ниже наружного уступа выполняют под внутренний диаметр кондуктора, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны выполняют в теле нижней части нижней втулки корпуса в виде наклонно расположенных снаружи внутрь к продольной оси втулки не менее трех по ее окружности цилиндрических каналов, нижние открытые концы которых выводят во внутренний продольный канал нижней втулки, а в каналы заводят подпружиненные сверху шарики, до установки в межколонное пространство устья скважины устройства для герметизации производят его предварительную сборку, согласно которой в наклонные цилиндрические каналы нижней втулки заводят шарики, устанавливают над ними сверху пружины и винтовыми заглушками производят требуемое их сжатие, на наружный уступ нижней втулки устанавливают нижние герметизирующие элементы с распорными кольцами, на верхнюю часть нижней втулки навинчивают по резьбе верхнюю втулку без сжатия нижних герметизирующих элементов между нижним торцом верхней втулки и наружным уступом нижней втулки, после чего предварительно собранное устройство внутренним продольным каналом нижней втулки надевают на верхний конец эксплуатационной колонны и опускают до упора наружного уступа верхней втулки на верхний торец кондуктора, после чего в кольцевую проточку на внутренний уступ с верхнего конца верхней втулки устанавливают верхний герметизирующий элемент с распорными кольцами, а операции по захвату эксплуатационной колонны, по ее подвеске и по уплотнению верхнего и нижних герметизирующих элементов производят одновременно путем навинчивания сменного фланца под устьевую арматуру по резьбе на верхний конец верхней втулки корпуса устройства.

Указанные выше новые существенные признаки заявляемого способа являются отличительными признаками от известного по прототипу способа.

Указанная цель изобретения достигается также и тем, что в известное устройство для герметизации межколонного пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной, содержащее корпус с внутренним продольным сквозным каналом разных диаметров и сквозным радиальным каналом, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны и герметизирующие элементы, согласно заявляемому изобретению нами введены новые существенные конструктивные признаки, а именно: корпус выполнен из двух соединяемых между собой на резьбе верхней и нижней втулок ступенчатой формы, при этом верхняя втулка корпуса выполнена с наружной резьбой на верхнем конце, внутренней резьбой на нижнем конце, с наружным уступом под верхний торец кондуктора и с наружным диаметром ниже уступа под внутренний диаметр кондуктора, с верхнего конца в верхней втулке внутри выполнена кольцевая проточка и кольцевой канал с внутренним уступом, в которой размещен верхний герметизирующий элемент с распорными кольцами, сквозной радиальный канал выполнен под внутренним уступом в теле верхней втулки, нижняя втулка снаружи выполнена ступенчатой формы с меньшим наружным диаметром выше наружного уступа и наружной резьбой на ее верхнем конце для соединения с верхней втулкой корпуса, внутренний продольный канал нижней втулки выполнен под наружный диаметр эксплуатационной колонны, а наружный диаметр нижней втулки ниже наружного уступа выполнен под внутренний диаметр кондуктора, между нижним торцом верхней втулки и наружным уступом нижней втулки размещены нижние герметизирующие элементы с распорными кольцами, элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны выполнены в теле нижней части нижней втулки корпуса в виде наклонно расположенных снаружи внутрь к продольной оси втулки не менее трех по ее окружности цилиндрических каналов, нижние открытые концы которых выведены во внутренний продольный канал нижней втулки, в наклонные цилиндрические каналы заведены шарики, сверху их - пружины, поджимаемые винтовыми заглушками, на верхнюю втулку корпуса с ее верхнего конца на резьбе установлен сменный фланец под устьевую арматуру.

А также тем, что:

- нижний конец нижней втулки выполнен конусным.

Указанные выше новые существенные конструктивные признаки заявляемого устройства являются отличительными признаками от известного по прототипу устройства.

В настоящее время из общедоступных источников научно-технической и патентной информации нам не известны способы герметизации межколонного пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной и не известны устройства для его осуществления, которые вместе с известными существенными признаками содержали бы в себе предложенную нами новую совокупность существенных признаков в заявляемом способе и новые существенные конструктивные признаки в заявляемом устройстве для реализации указанного способа, которые указаны выше.

В совокупности известные и новые отличительные существенные признаки способа и устройства для его осуществления обеспечивают заявляемому изобретению достижение нового технического результата при его реализации, указанного в цели изобретения.

Так, благодаря тому, что в заявляемом способе предложено расчетную высоту обрезания кондуктора выполнить равной высоте установки устьевой арматуры, а обрезание эксплуатационной колонны - на уровне не ниже плоскости фланца под устьевую арматуру, то это позволяет при установке заявляемого устройства для реализации заявляемого способа на скважинах, находящихся в эксплуатации, полностью сохранить ранее действовавшую обвязку скважины выкидным нефтепроводом, т.е. этим создана возможность полностью избежать необходимости в переобвязке скважины, исключая тем самым дополнительные сварочные работы на устье скважины.

Благодаря предложенному конструктивному выполнению и взаимному расположению элементов заявляемого герметизирующего устройства, в котором элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны размещены в теле корпуса, а корпус выполнен из двух соединяемых на резьбе втулок ступенчатой формы с нижними герметизирующими элементами, с двумя наружными и одним внутренним уступами вместе с предложенными соотношениями внутренних и наружных диаметров втулок, то в целом это создало возможность все устройство (включая его корпус) устанавливать и закреплять непосредственно в кольцевом пространстве между кондуктором и эксплуатационной колонной, в то время как в прототипе корпус колонной головки устанавливается и крепится снаружи кондуктора. За счет снижения размеров корпуса по диаметру резко снижается металлоемкость заявляемого устройства.

А благодаря тому, что устройство после проведения его предварительной сборки (без сжатия нижних герметизирующих элементов) предусмотрено надевать его внутренним продольным каналом на верхний конец эксплуатационной колонны на устье скважины, а затем опускать устройство в межколонное пространство до упора наружного уступа корпуса в верхний торец кондуктора и оставлять устройство опертым на торец кондуктора для последующего захвата и дальнейшей подвески эксплуатационной колонны, то этим обеспечивается снижение трудоемкости работ и трудозатрат по установке устройства на устье скважины, при этом полностью отпадает необходимость проводить какие-либо сварочные работы.

Выполнение нижнего конца у нижней втулки конусным при опускании устройства по эксплуатационной колонне облегчает продвижение устройства вниз в кольцевом пространстве.

Выполнение в теле нижней части нижней втулки корпуса наклонно расположенных снаружи внутрь к продольной оси втулки не менее трех по ее окружности цилиндрических каналов, нижние открытые концы которых выведены во внутренний продольный канал, а в каналы заведены подпружиненные сверху шарики, формирует элементы, выполняющие одновременно и функцию захвата, и функцию подвески эксплуатационной колонны с автоматическим переходом от первой функции ко второй.

Благодаря навинчиванию по резьбе сменного фланца под устьевую арматуру на верхний конец верхней втулки корпуса, проводимому после установки верхнего герметизирующего элемента, осуществляется одновременно три операции: уплотнение верхнего и нижних герметизирующих элементов, захват эксплуатационной колонны и ее подвеска шариковыми элементами, что также снижает трудоемкость работ.

На чертеже представлен один из возможных вариантов устройства для осуществления предлагаемого способа герметизации межколонного пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной (продольный разрез).

Устройство содержит корпус, выполненный из верхней 1 и нижней 2 втулок ступенчатой формы, соединяемых между собой с помощью резьбы 3. На верхнем конце верхней втулки 1 выполнена наружная резьба 4, ниже - наружный уступ 5 под верхний торец кондуктора 6. Наружный диаметр верхней втулки 1 ниже уступа 5 выполнен под внутренний диаметр кондуктора 6. С верхнего конца в верхней втулке 1 внутри выполнена кольцевая проточка 7 и кольцевой канал 8, образуя внутренний уступ 9, где размещен верхний герметизирующий элемент 10 с распорными кольцами 11. Под внутренним уступом 9 в теле верхней втулки 1 выполнен сквозной радиальный канал 12 для соединения кольцевого канала 8 через патрубок 13 и запорный орган 14 с манометром давления 15.

Нижняя втулка 2 выполнена с наружным уступом 16, ниже которого ее наружный диаметр выполнен под внутренний диаметр кондуктора 6, а ее внутренний продольный канал 17 выполнен под наружный диаметр эксплуатационной колонны 18. Между нижним торцом верхней втулки 1 и наружным уступом 16 нижней втулки 2 размещены нижние герметизирующие элементы 19 с распорными кольцами 20. В теле нижней части нижней втулки 2 размещены элементы захвата и подвески эксплуатационной колонны, которые выполнены в виде наклонно расположенных снаружи внутрь к продольной оси втулки не менее трех по ее окружности цилиндрических каналов 21, нижние открытые концы которых выведены во внутренний продольный канал 17. В каналы 21 заведены подпружиненные сверху шарики 22, пружины 23 которых поджаты винтовыми заглушками 24. На верхний конец верхней втулки 1 устанавливают на резьбе 4 сменный фланец 25 под устьевую арматуру. Нижний конец 26 нижней втулки 2 может быть выполнен конусным.

Осуществляют заявляемый способ с помощью предлагаемого устройства следующим образом.

Производят обрезание кондуктора 6 на высоте установки устьевой арматуры и обрезание эксплуатационной колонны 18 на уровне не ниже плоскости фланца под устьевую арматуру.

Затем производят предварительную сборку предложенного устройства для герметизации межколонного пространства устья скважины, согласно которой в наклонные цилиндрические каналы 21 заводят шарики 22, на них сверху устанавливают пружины 23 и производят их поджатие винтовыми заглушками 24. Устанавливают на наружный уступ 16 нижней втулки 2 нижние герметизирующие элементы 19 с распорными кольцами 20 и на верхнюю часть нижней втулки 2 по резьбе 3 навинчивают верхнюю втулку 1 без сжатия нижних герметизирующих элементов 19.

Предварительно собранное устройство внутренним продольным каналом 17 нижней втулки 2 надевают на верхний конец эксплуатационной колонны 18 и опускают устройство по эксплуатационной колонне 18 в межколонное пространство устья скважины до упора наружного уступа 5 верхней втулки 1 в верхний торец кондуктора 6. Затем в кольцевую проточку 7 верхней втулки 1 устанавливают верхний герметизирующий элемент 10 с распорными кольцами 11.

После этого по резьбе 4 на верхний конец верхней втулки 1 корпуса устройства навинчивают сменный фланец 25 под устьевую арматуру, в результате чего осуществляются одновременно три операции: захват эксплуатационной колонны 18 и ее подвеска на шариках 22 элементов захвата и подвески и герметизация верхнего 10 и нижних 19 герметизирующих элементов. По завершении навинчивания сменного фланца 25 завершаются полностью и одновременно все три операции: захват эксплуатационной колонны и ее подвеска элементами захвата и подвески и герметизация межколонного пространства скважины при полном исключении сварочных работ.

Опытный образец устройства прошел стендовые испытания, подтвердив достижение поставленных целей изобретения.