башмак для системы крепления расширяемого хвостовика и способ заканчивания скважины

Формула изобретения

1. Башмак обсадной колонны для использования в скважине, содержащий корпус с проходящим через него каналом и, по меньшей мере, одной внутренней выемкой, и установленный поверх выемки деформируемый экран, проходящий в указанный канал с образованием между внутренней поверхностью выемки и экраном кольцевого пространства и предохраняющий выемку от засорения при цементировании корпуса в скважине, причем экран способен выгибаться в ответ на изменение гидростатического давления при спуске корпуса в скважину, а после цементирования может быть удален с обнажением указанной выемки.

2. Башмак по п.1, в котором экран герметично присоединен к корпусу, ограничивая кольцевое пространство, смежное с выемкой.

3. Башмак по п.2, в котором в кольцевом пространстве содержится несжимаемый материал.

4. Башмак по п.3, в котором несжимаемый материал находится в слабоуплотненном состоянии.

5. Башмак по п.4, в котором при изменении давления во время ввода корпуса в ствол скважины экран способен выгибаться в результате перемещения несжимаемого материала.

6. Башмак по п.5, в котором удаление экрана проводят путем разбуривания башмака, позволяющего удалить слабоуплотненный несжимаемый материал из выемки.

7. Башмак по п.1, содержащий также трубчатый элемент, введенный в башмак для крепления в выемке после удаления экрана.

8. Башмак по п.7, в котором трубчатый элемент крепят в выемке путем его расширения.

9. Башмак по п.8, в котором за пределами выемки корпус имеет определенный диаметр проходного сечения, а трубчатый элемент после его расширения с посадкой в выемку имеет диаметр проходного сечения, по меньшей мере, равный диаметру проходного сечения башмака за пределами выемки.

10. Башмак по п.8, содержащий также расположенный на нижнем конце трубчатого элемента направляющий башмак, освобождаемый от трубчатого элемента при расширении последнего с возможностью извлечения направляющего башмака через корпус.

11. Способ заканчивания скважины, при осуществлении которого в скважину вводят трубчатый элемент, снабженный на нижнем конце башмаком, в котором выполнена внутренняя выемка, для закрытия которой используют деформируемый трубчатый экран, причем вводят этот трубчатый экран в проходящий через башмак канал, образуя кольцевое пространство между экраном и трубчатым элементом и позволяя экрану выгибаться в ответ на изменение гидростатического давления при спуске в скважину, и затем цементируют трубу в скважине, после чего трубчатый экран удаляют с обнажением выемки.

12. Способ по п.11, в котором при помощи трубчатого экрана вокруг выемки создают герметично изолированное кольцевое пространство.

13. Способ по п.12, в котором трубчатый экран выгибается при изменении перепада давления на нем во время спуска башмака.

14. Способ по п.12, в котором в кольцевое пространство помещают несжимаемый материал.

15. Способ по п.14, в котором несжимаемый материал слегка уплотняют.

16. Способ по п.15, в котором после цементирования трубчатый экран разбуривают, а несжимаемый материал удаляют с буровым шламом.

17. Способ по п.11, в котором после удаления трубчатого экрана в башмак вводят колонну труб и расширяют ее с посадкой в выемку башмака для крепления в скважине.

18. Способ по п.17, в котором колонну труб расширяют до диаметра проходного сечения, по меньшей мере, равного диаметру проходного сечения башмака за пределами его выемки.

19. Способ по п.17, в котором на нижнем конце колонны труб крепят направляющий башмак, за счет расширения колонны труб освобождают от нее направляющий башмак и поднимают его на поверхность.

20. Способ по п.19, в котором колонну труб вводят в скважину на спусковой колонне с оправкой, раскрепляемым якорем и извлекающий инструментом для подъема скважинных устройств, освобождают колонну труб и направляющий башмак от спусковой колонны путем продавливания оправки с ее избирательной поддержкой якорем и захватывают направляющий башмак для его подъема на поверхность вместе с якорем и оправкой при извлечении спусковой колонны.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение в общем относится к способу спуска в обсадную колонну и крепления в ней трубчатых элементов, в частности - к средствам защиты места установки трубчатого элемента на обсадной колонне при цементировании последней.

На фиг.1 иллюстрируется известный способ спуска обсадной колонны с башмаком 16, установленным вблизи ее нижнего конца. Если впоследствии в нее вводится трубчатый элемент, который требуется закрепить на обсадной колонне путем его расширения, то получению плотного соединения между ними может помешать присутствие остатков цементного камня или цементных отложений на участке крепления трубчатого элемента к обсадной колонне. Избежать этого можно, если подавать цементный раствор в башмак, установленный ниже точки, в которой позднее будет крепиться хвостовик. Еще один способ состоит в том, чтобы для обеспечения чистоты этого установочного участка после цементирования пропустить через него щетки и скребки, что позволит обеспечить качественное уплотнение и крепление устанавливаемого впоследствии трубчатого элемента. Однако эти способы сопряжены с большими затратами времени и соответствующими расходами.

В соответствии с настоящим изобретением, защита места установки на обсадной колонне во время цементирования осуществляется при помощи трубчатого экрана, который перекрывает выемку. Трубчатый экран образует изолированное кольцевое пространство, в котором содержится несжимаемый материал. Это позволяет трубчатому экрану деформироваться при изменении гидростатического давления по мере спуска обсадной колонны к месту установки. Цементирование производится через трубчатый экран. Трубчатый экран впоследствии разбуривают, обнажая кольцевую выемку и установочный паз. Затем трубчатый элемент можно точно установить и расширить, введя его в плотный контакт с обсадной колонной. Благодаря наличию выемки диаметр проходного сечения трубчатого элемента после его расширения с посадкой в выемку становится по меньшей мере равным диаметру проходного сечения обсадной колонны. Трубчатый элемент можно расширить до его нижнего конца, а направляющий башмак на нижнем конце трубчатого элемента можно извлечь из скважины и поднять вместе с оправкой и спусковой колонной, на которой он был доставлен в скважину.

Таким образом, изобретение позволяет обеспечить защиту установочного участка обсадной колонны, впоследствии используемого для крепления к ней трубчатого элемента. Этот установочный участок на обсадной колонне закрывается трубчатым экраном, образующим герметично изолированную полость, в которой содержится слабоуплотненный несжимаемый материал. Цементирование обсадной колонны осуществляется через трубчатый экран. После цементирования трубчатый экран разбуривается, и несжимаемый материал выносится на поверхность с буровым шламом. В обсадную колонну вводится трубчатый элемент, который расширяют, предпочтительно с образованием уплотнения по месту его крепления на обсадной колонне. По окончании расширения извлекают установленный на трубчатом элементе направляющий башмак.

В соответствии с вышеизложенным, в настоящем изобретении предлагается башмак обсадной колонны для использования в скважине, содержащий корпус с проходящим через него каналом и по меньшей мере одной внутренней выемкой, и установленный поверх выемки деформируемый экран, проходящий в указанный канал с образованием между внутренней поверхностью выемки и экраном кольцевого пространства и предохраняющий выемку от засорения при цементировании корпуса в скважине, причем экран способен выгибаться в ответ на изменение гидростатического давления при спуске корпуса в скважину, а после цементирования может быть удален с обнажением указанной выемки.

Подобное выполнение экрана позволяет герметично присоединить его к корпусу, ограничивая кольцевое пространство, смежное с выемкой. При этом в кольцевом пространстве может быть размещен несжимаемый материал, в частности, в слабоуплотненном состоянии. При изменении давления во время ввода корпуса в ствол скважины экран способен выгибаться в результате перемещения этого несжимаемого материала. Удаление экрана может проводится путем разбуривания башмака, позволяющего удалить слабоуплотненный несжимаемый материал из выемки.

В других частных вариантах осуществления в башмак введен трубчатый элемент, крепящийся в выемке после удаления экрана. Трубчатый элемент крепят в выемке предпочтительно путем его расширения. За пределами выемки корпус имеет определенный диаметр проходного сечения, а трубчатый элемент после его расширения с посадкой в выемку имеет диаметр проходного сечения, по меньшей мере равный диаметру проходного сечения башмака за пределами выемки. Может также использоваться расположенный на нижнем конце трубчатого элемента направляющий башмак, освобождаемый от трубчатого элемента при расширении последнего с возможностью извлечения направляющего башмака через корпус.

В изобретении также предлагается способ заканчивания скважины, при осуществлении которого:

в скважину вводят трубчатый элемент, снабженный на нижнем конце башмаком, в котором выполнена внутренняя выемка, для закрытия которой используют деформируемый трубчатый экран;

причем вводят этот трубчатый экран в проходящий через башмак канал, образуя кольцевое пространство между экраном и трубчатым элементом и позволяя экрану выгибаться в ответ на изменение гидростатического давления при спуске в скважину,

и затем цементируют трубу в скважине, после чего трубчатый экран удаляют с обнажением выемки.

В предпочтительных частных вариантах осуществления при помощи трубчатого экрана вокруг выемки создают герметично изолированное кольцевое пространство. Трубчатый экран может выгибаться также при изменении перепада давления на нем во время спуска башмака.

В кольцевое пространство помещают несжимаемый материал, который слегка уплотняют. После цементирования трубчатый экран разбуривают, а несжимаемый материал удаляют с буровым шламом.

После удаления трубчатого экрана в башмак вводят колонну труб и расширяют ее с посадкой в выемку башмака для крепления в скважине. Колонну труб расширяют до диаметра проходного сечения, по меньшей мере равного диаметру проходного сечения башмака за пределами его выемки.

На нижнем конце колонны труб может крепиться направляющий башмак, за счет расширения колонны труб освобождают от нее направляющий башмак и поднимают его на поверхность. В этом случае колонну труб вводят в скважину на спусковой колонне с оправкой, раскрепляемым якорем и извлекающим инструментом для подъема скважинных устройств, освобождают колонну труб и направляющий башмак от спусковой колонны путем продавливания оправки с ее избирательной поддержкой якорем и захватывают направляющий башмак для его подъема на поверхность вместе с якорем и оправкой при извлечении спусковой колонны.

Ниже сущность изобретения поясняется на примере осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - известная эксплуатационная обсадная колонна со стандартным башмаком на нижнем конце;

на фиг.2 - эксплуатационная обсадная колонна с предлагаемой в изобретении башмачной трубой;

на фиг.3 - спущенная в скважину эксплуатационная обсадная колонна с предлагаемой в изобретении башмачной трубой;

на фиг.4 - вид показанной на фиг.3 обсадной колонны после цементирования;

на фиг.5 - вид показанной на фиг.4 обсадной колонны, на котором показана обнаженная после разбуривания башмачная труба и ствол скважины, продленный ниже уровня эксплуатационной обсадной колонны;

на фиг.6 - вид показанной на фиг.5 обсадной колонны, на котором показано расширение ствола только что пробуренной скважины;

на фиг.7 - вид в увеличенном масштабе обнаженного башмака;

на фиг.8 - хвостовик, спущенный в скважину на спускном инструменте и установленный по месту его расширения;

на фиг.9 - вид показанного на фиг.8 хвостовика, где оправка находится в начале своего рабочего хода, сопровождаемого освобождением от спускного инструмента;

на фиг.10 - вид показанного на фиг.9 хвостовика, где якорь показан раскрепленным и переместившимся вниз до упора для совершения оправкой очередного рабочего хода;

на фиг.11 - вид показанного на фиг.10 хвостовика, иллюстрирующий следующий рабочий ход оправки;

на фиг.12 - вид показанного на фиг.11 хвостовика, где оправка показана продвигающейся по направлению к нижнему концу хвостовика;

на фиг.13 - вид показанного на фиг.12 хвостовика, где оправка входит в контакт с направляющим башмаком хвостовика на нижнем конце последнего;

на фиг.14 - вид показанного на фиг.13 хвостовика, где хвостовик

полностью расширен, а оправку поднимают из скважины вместе со спускным башмаком, извлекая спускной инструмент из полностью расширенного хвостовика;

на фиг.15 - в увеличенном масштабе трубчатый экран, закрывающий башмак с выемкой во время цементирования;

на фиг.16а-16б - захват направляющего наконечника;

на фиг.17а-17б - освобождение направляющего наконечника от трубчатого элемента или хвостовика путем срезания;

на фиг.18а-18б - направляющий наконечник, полностью освобожденный и захваченный;

на фиг.19а-19б - разъединение в аварийной ситуации.

На фиг.1 изображена эксплуатационная обсадная колонна 10, имеющая известную муфту 12 с упором и стандартную муфту 14 обсадной колонны с обратным клапаном, а также башмак 16, примыкающий к нижнему концу 18 обсадной колонны. Обычно цементный (тампонажный) раствор закачивают через башмак 16, а затем при помощи цементировочной пробки выдавливают цементный раствор из обсадной колонны 10 через башмак 16 в окружающее колонну затрубное пространство. Когда возникает необходимость углубить скважину, башмак 16 разбуривают, однако после разбуривания могут сохраниться остатки цементного камня или цементные отложения. Засорение остатками цементного камня и обломками башмака после разбуривания последнего могут сказаться на качестве уплотнения, которое потребуется в дальнейшем, когда в обсадную колонну 10 будет введен и закреплен хвостовик. Это представляет собой особую проблему, когда крепление хвостовика к обсадной колонне 10 выполняется расширением хвостовика.

Данная проблема в настоящем изобретении решается использованием трубчатого экрана 20, показанного на фиг.2 и 15. Как показано на фиг.15, у эксплуатационной обсадной колонны 22 имеется нижняя секция 24. Внутри секции 24 предпочтительно концентрично устанавливается трубчатый экран 20, образующий кольцевое пространство 28, в котором содержится несжимаемый материал 30. В предпочтительном варианте несжимаемый материал 30 представляет собой набивку из песка в рыхлом (слабоуплотненном) состоянии, однако могут использоваться и другие материалы. Назначение материала 30 состоит в том, чтобы трубчатый экран мог выгибаться в условиях увеличивающегося гидростатического давления при увеличении глубины нахождения обсадной колонны 22 во время ее спуска в исходное положение. Трубчатый экран 20 в предпочтительном варианте изготовлен из стекловолокна и на концах 32 и 34 образует герметичные соединения с сопряженными элементами конструкции. В исходном состоянии трубчатый экран 20 закрывает установочную выемку 36 и удлиненную выемку 38, которая впоследствии будет служить местом крепления трубчатого элемента, например, хвостовика, осуществляемого различными способами. Предпочтительный способ расширения более подробно описан ниже. Трубчатый экран 20 предпочтительно изготавливается из неметаллического или какого-либо иного материала, который быстро разбуривается, например, из пластика или композитов. Трубчатый экран 20 имеет внутреннюю поверхность 40, с которой во время цементирования обсадной колонны 22 контактирует цементный раствор. В конце через обсадную колонну 22 продавливается цементировочная пробка 42, вытесняя из обсадной колонны 22 в затрубное пространство большую часть цементного раствора, и затем становится на муфту 12 с упором (см. фиг.4). Впоследствии трубчатый экран 20 разбуривается, при этом несжимаемый материал удаляется, открывая чистые установочную выемку 36 и удлиненную выемку 38 для последующего присоединения трубчатого элемента, как это описано ниже. При разбуривании трубчатого экрана удаляется часть уплотнительных колец 42 и 46 без повреждения обсадной колонны 22 или ее нижней секции 24.

Рассмотрение предлагаемого в изобретении способа следует начать с фиг.3, где обсадная колонна 22 установлена в заданном положении и готова к цементированию в скважине 26. В конструкцию обсадной колонны входят муфта 12 с упором и муфта 14 с обратным клапаном. Показанный на фиг.15 узел находится на нижнем конце обсадной колонны, однако для упрощения вида на данной схеме показан только трубчатый экран 20.

На фиг.4 показано, что цементный раствор 48 вытеснен цементировочной пробкой 42, севшей на муфту 12 с упором. В результате цементный раствор 48 выдавлен через трубчатый экран 20 и направляющий башмак 50 в затрубное пространство 52.

На фиг.5 в обсадную колонну 22 введена бурильная колонна 54 с породоразрушающим инструментом 56, которая разбурила цементировочную пробку 42 и трубчатый экран 20, обнажив при этом установочную выемку 36 и удлиненную выемку 38. Несжимаемый материал 30 высвобождается и выносится на поверхность циркулирующим буровым раствором вместе с буровым шламом, образующимся в результате работы породоразрушающего инструмента 56.

На фиг.6 показано расширение нового участка 58 ствола скважины на новый размер 60 с использованием раздвижного расширителя или долота 62 типа RWD. В зависимости от типа породоразрушающего инструмента 56 ствол скважины 60 можно сформировать за одну или несколько спускоподъемных операций. На фиг.7 показан ствол скважины 60 после завершения бурения, при этом бурильная колонна 54 с породоразрушающим инструментом 56 извлечены из скважины 60 и оставлены на поверхности.

На фиг.8 показана спусковая колонна 64, удерживающая хвостовик или иной трубчатый элемент 66 на замковых защелках 68. Эта конструкция содержит также якорь 70 со шлипсами 72, которые в предпочтительном варианте приводятся в действие давлением, при подаче которого они выдвигаются, а при стравливании - убираются. В эту конструкцию также входит гидроцилиндр 74, который при подаче в него давления проталкивает оправку 76 вниз. Сначала, как показано на фиг.9, для выдвижения шлипсов 72 и проталкивания оправки 76, схематически показанного стрелками 78, в цилиндр подается давление. Верхний конец 80 трубчатого элемента 66 расширяется, садясь в удлиненную выемку 38, для его крепления в обсадной колонне 22. После того, как оправка 76 переместится на расстояние, достаточное для подвески трубчатого элемента 66 на обсадной колонне 22, замковые защелки 68 выводятся из зацепления и освобождают трубчатый элемент 66. На фиг.10 замковые защелки 68 и шлипсы 72 якоря находятся в раскрепленном состоянии. После стравливания внутреннего давления и переноса веса колонны на поверхность поршень гидроцилиндра 74 отводится в исходное положение для совершения оправкой 76 еще одного рабочего хода. На фиг.11 показан последующий рабочий ход оправки с дальнейшим расширением трубчатого элемента 66. Дополнительно после расширения трубчатого элемента для достижения в конце герметичного контакта со стенкой ствола скважины 60 можно использовать один или несколько ствольных пакеров 82.

На фиг.12 показано продолжение движения оправки при подаче с поверхности давления на якорь 70 и гидроцилиндр 74. Понятно, что гидроцилиндр 74 может быть снабжен средствами повышения усилия на поршне, и в начале каждого рабочего хода к оправке 76 может прикладываться большее усилие по сравнению с остальной частью рабочего хода. Эти особенности были раскрыты в заявке US 60/265061 от 11.02.2002, содержание которой в полном объеме включено в настоящее описание, как если бы оно было в нем изложено. Однако при осуществлении изобретения могут использоваться и другие способы растяжения трубчатого элемента 66 или даже его крепления в удлиненной выемке 38 или в другом месте, которое исходно, во время цементирования обсадной колонны 22, было закрыто трубчатым экраном, например, рассмотренным выше экраном 20.

По мере приближения к направляющему башмаку 84, установленному на нижнем конце 86 трубчатого элемента 66 спусковая колонна 64 расширяет ствольные пакеры 82, плотно прижимая их к стенке ствола скважины 60. На нижнем конце спусковой колонны 64 схематически показан захватный механизм 88. При контакте с механизмом 88 направляющий башмак захватывается им. Оправка 76 расширяет нижний конец 86 трубчатого элемента 66 в достаточной степени для освобождения направляющего башмака. При подъеме колонны 64 из ствола скважины 60 на поверхность колонна забирает с собой якорь 70, гидроцилиндр 74, а также направляющий башмак 84, оставляя широкое отверстие 90 в нижнем конце трубчатого элемента 66, как показано на фиг.14. Известно, что направляющий башмак 84, представляя собой закругленный наконечник, облегчает спуск трубчатого элемента 66 в исходное положение, показанное на фиг.8. В нем имеется клапан, перепускающий жидкость для облегчения ввода трубчатого элемента 66. Как было указано выше, после извлечения направляющего башмака 84 в нижнем конце трубчатого элемента 66 остается широкое отверстие, позволяющее проводить последующие буровые работы или иные операции по заканчиванию скважины.

На фиг.16-19 захватный механизм 88 показан более подробно. Он имеет верхний переводник 100, установленный на резьбе 102 ниже замковых защелок 68. Резьбой 106 верхний переводник 100 соединен с сердечником 104. Направляющий башмак 84 крепится к трубчатому элементу 66 посредством разрезного кольца 108, зафиксированного от проворачивания штифтом 110, выступающим из башмака 84. Выполненная на кольце 108 резьба 112 находится в зацеплении с резьбой 114 трубчатого элемента 66. Кольцо 116 удерживает разрезное кольцо 108 на направляющем башмаке 84 в требуемом положении. Направляющий башмак 84 имеет проточку 118 и упорную поверхность 120. Верхний переводник 100 имеет поверхность 122, которая при продвижении захватного механизма 88 с оправкой 76 наталкивается на упорную поверхность 120. При встрече поверхности 122 верхнего переводника с упорной поверхностью 120 трубчатый элемент 66 еще не расширен. На сердечнике 104 имеется цанга 124, лепестки которой при стыковке поверхностей 120 и 122 заходят своими выступами в проточку 118. Когда это происходит, лепестки цанги оказываются над выемкой 126 сердечника 104, как показано на фиг.16а, что позволяет их выступам зайти в проточку 118 направляющего башмака 84. Сердечник 104 снабжен кольцом 128, удерживаемым срезными штифтами 130. Когда при соприкосновении поверхностей 120 и 122 направляющий башмак 84 нагружается направленным вниз усилием, резьба 112 и 114 срезается, направляющий башмак 84 падает и подхватывается кольцом 128. В этот момент, как показано на фиг.17а, поверхность 132 сердечника 104 подпирает выступы лепестков цанги 124 в проточке 118. Теперь направляющий башмак 84 захвачен сердечником 104. По мере движения сердечника 104 вниз вместе с оправкой 76, трубчатый элемент 66 расширяется донизу. После этого оправку 76 и захватный механизм 88 с прикрепленным к нему направляющим башмаком 84 можно поднять на поверхность, как показано на фиг.18а. Если по какой-либо причине направляющий башмак 84 не сможет освободиться от трубчатого элемента 66 либо застрянет по пути на поверхность, то приложение к спусковой колонне 64 усилия на выдергивание приведет к срезанию штифтов 130, что освободит лепестки 124, так как напротив проточки 118 окажется поверхность 134, как показано на фиг.19а. Понятно, что для улавливания направляющего башмака 84 по мере продвижения оправки 76 могут быть использованы и другие приспособления. Возможность извлечь направляющий башмак 84 выгодна тем, что исключает необходимость его разбуривания, а также уменьшает вероятность того, что при разбуривании направляющий башмак 84 просто провернется, так как расширенный трубчатый элемент 66 уже не будет препятствовать его вращению.

Приведенное выше описание четко выявляет преимущества настоящего изобретения. Трубчатый экран 20 защищает места предстоящей установки трубчатого элемента 66 на обсадную колонну 22 от загрязнения цементным раствором 48, используемым для крепления обсадной колонны 22. Поэтому независимо от способа герметичного соединения трубчатого элемента 66 с обсадной колонной 22 достигается большая уверенность в том, что будет получено соединение с надлежащей герметичностью без опасения, что место установки может оказаться забитым цементным раствором. Предлагаемая конструкция с трубчатым экраном 20 может деформироваться в соответствии с изменениями гидростатического давления при спуске обсадной колонны 22 в ствол скважины. После расширения трубчатого элемента 66 или его крепления к обсадной колонне 22 иным способом нижний конец трубчатого элемента 66 остается открытым, так как направляющий башмак 84 извлекают из скважины.

Вышеприведенное описание изобретения является иллюстративным и поясняющим сущность изобретения на примере его осуществления, поэтому изобретение осуществимо с разного рода изменениями в отношении размеров, форм и материалов, а также деталей конструктивного оформления.