устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине

Формула изобретения

Устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине, включающее полый корпус, разъединитель и связанную с ним транспортировочную колонну, пакер и якорь, установленные в верхней части полого корпуса, разъединитель с левой резьбой, нажимную втулку, установленную в верхней части полого корпуса с возможностью осевого перемещения, хвостовик, выполненный в виде фильтровой колонны, в верхней части которой расположен перфорированный патрубок для вытеснения тампонажного раствора, разбуриваемую пробку, установленную между хвостовиком и перфорированным патрубком, продавочную пробку, устанавливаемую в транспортировочную колонну, клапанно-запорный узел, выполненный в виде разбуриваемого обратного клапана, установленного между полым корпусом и перфорированным патрубком, отличающееся тем, что разъединитель левой резьбой соединен с верхним концом корпуса, при этом снизу разъединитель снабжен полым патрубком, который сверху оснащен стаканом, имеющим возможность герметичного взаимодействия с внутренними стенками полого корпуса, причем снизу в полый патрубок телескопически установлен полый шток с радиальными отверстиями снизу, причем полый патрубок в нижней части оснащен радиальными отверстиями, имеющими возможность герметичного перекрытия полым штоком, который имеет возможность взаимодействия с обратным клапаном в рабочем положении, при этом якорь выполнен в виде подпружиненных внутрь плашек, закрепленных на полом цилиндре, концентрично установленном на полом корпусе с возможностью осевого и вращательного перемещения посредством пружинных центраторов, установленных снаружи полого цилиндра и направляющего штифта, жестко соединенного с полым корпусом и размещенного в сквозном фигурном пазу, выполненном в нижней части полого цилиндра, причем сквозной фигурный паз состоит из короткой и длинной проточек, при этом верхняя часть короткой проточки соединена со средней частью длинной проточки, а нажимная втулка пакера снизу снабжена конусной поверхностью, сужающейся сверху вниз и имеющей возможность взаимодействия с плашками якоря в рабочем положении, в котором направляющий штифт находится в длинной проточке сквозного фигурного паза, при этом в транспортном положении направляющий штифт находится в короткой проточке сквозного фигурного паза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области крепления нефтяных и газовых скважин, а именно к устройствам для спуска обсадных колонн и, в частности, хвостовиков обсадных колонн с целью герметизации заколонного пространства.

Известно устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине (патент РФ № 2171366, Е21В 43/10, 33/14, опубл. 27.07.2001 г.), включающее корпус, связанную с ним транспортировочную колонну, разъединитель, пакер и якорь, помещенные в верхней части хвостовика, связанный с корпусом патрубок с радиальными отверстиями, образующий с хвостовиком в верхней его части кольцевую полость, гидравлически связанную с полостью патрубка через его радиальные отверстия и с узлами привода якоря, пакера и разъединителя, связанный с хвостовиком и расположенный под радиальными отверстиями дроссельно-запорный клапан для перекрытия внутреннего сечения патрубка при заданном расходе жидкости с заданными реологическими свойствами, включающий цилиндрическую втулку с посадочным седлом в нижней части и шток, подпружиненный относительно втулки и образующий с ней кольцевой калиброванный канал, причем патрубок выполнен с возможностью его извлечения из скважины с корпусом и транспортировочной колонной, а хвостовик под устройством выполнен в виде фильтровой колонны с отверстиями в верхней части для вытеснения тампонажного раствора.

Недостатком данного устройства являются:

- во-первых, низкая надежность работы, связанная с тем, что любые жидкости, закачиваемые в скважину (буровой и тампонажный растворы, буферная жидкость и пр.), имеют в своем объеме различные инородные включения, которые в процессе закачки могут попасть в дроссельно-запорный клапан с кольцевым калиброванным каналом и застрять в нем, а это не позволит закрыться дроссельно-запорному клапану, что приведет к невозможности повышения давления в полости патрубка и несрабатыванию механизмов разъединителя, пакера и якоря;

- во-вторых, высокие требования к свойствам тампонажного раствора (вязкость, удельный вес), связанные с тем, что для срабатывания дроссельно-запорного клапана необходимо через устройство прокачивать тампонажный раствор с заданными реологическими свойствам. А это достаточно трудоемко обеспечить на поверхности даже путем предварительного выравнивания свойств тампонажного раствора во всем его объеме, достигающем порой нескольких десятков кубометров, так как для этого необходимо иметь на поверхности достаточное количество емкостей с гидравлическими и механическими перемешивателями. Время работы для тщательного перемешивания всего объема жидкости может занимать несколько часов. Поскольку процесс приготовления тампонажного раствора ограничен временным фактором ввиду его схватывания, возможна ситуация, когда получение требуемых реологических свойств не будет осуществлено во всем объеме тампонажного раствора, поэтому в случае, когда через дроссельно-запорный клапан будет прокачиваться некоторый объем раствора с несколько иными свойствами, например, с большей вязкостью и удельным весом, это приведет к закрытию дроссельно-запорного клапана и преждевременному срабатыванию механизмов разъединителя, пакера и якоря.

Также известно устройство для подвески и герметизации потайной обсадной колонны (патент РФ № 2206713, Е21В 33/14, 17/06, опубл. в бюл. № 17 от 20.06 2003 г.), включающее полый корпус, соединенный с корпусом левой резьбой разъединитель, на поверхности вала которого выполнены наружные шлицы, пакер нажимного действия, эластичный уплотнитель которого взаимодействует с втулкой, подвижно установленной на корпусе и взаимодействующей внутренними шлицами с наружными шлицами разъединителя, якорь гидравлического действия, двухсекционную продавочную пробку, нижняя секция которой имеет сквозной канал и связана срезным штифтом с разъединителем, а верхняя секция взаимодействует с нижней секцией после спуска устройства с потайной обсадной колонной в скважину и посадочную муфту со стоп-кольцом, взаимодействующую с продавочной пробкой.

Недостатками известного устройства являются:

- во-первых, устройство обладает ограниченными эксплуатационными возможностями, поскольку применимо лишь с потайной обсадной колонной для ликвидации негерметичности ранее спущенной обсадной колонны и не может применяться в качестве устройства для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны, выполненного, например, в виде фильтра, расположенного в горизонтальном участке скважины, как правило, открытом, то есть не цементируемым тампонажным раствором;

- во-вторых, низкая надежность работы, обусловленная тем, что для срабатывания механического пакера нажимного действия необходимо, чтобы наружные шлицы вала разъединителя, соединенного с бурильной колонной, после вращения последней на определенное число оборотов гарантированно сместились относительно внутренних шлицов втулки пакера. При отсутствии углового смещения и совпадении шлицов вал разъединителя при спуске бурильной колонны вновь войдет внутрь втулки пакера, и последующая разгрузка бурильной колонны будет происходить по начальным виткам внутренней резьбы корпуса устройства и наружной резьбы вала. Это неминуемо приведет к их смятию и невозможности последующего свинчивания, например, для извлечения устройства на поверхность. Таким образом, возможна ситуация, когда втулка пакера не будет перемещаться вниз, сжимая уплотнитель, причем конструкция известного устройства не позволяет проконтролировать это на поверхности. Поскольку факт несрабатывания пакера и не герметичности заколонного пространства может быть выявлен лишь после ОЗЦ путем совместной опрессовки потайной и ранее спущенной обсадных колонн, то ликвидация этих последствий, возникших из-за низкой надежности устройства, потребует значительных трудозатрат и времени, а зачастую может быть безуспешной.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны (патент РФ № 2266391, МПК7 Е21В 33/14, опубл. в бюл. № 35 от 20.12.2005 г.), включающее полый секционный корпус, разъединитель и связанную с ним транспортировочную колонну, пакер, в верхней части соединенный с разъединителем, а в нижней части - с якорем, причем хвостовик выполнен в виде фильтровой колонны, в верхней части которой расположен перфорированный патрубок для вытеснения тампонажного раствора. Дополнительно содержит разбуриваемую пробку, установленную между хвостовиком и перфорированным патрубком, и разбуриваемый клапанно-запорный узел, установленный в нижней секции корпуса между якорем и перфорированным патрубком и включающий обратный клапан, посадочную муфту, взаимодействующую с двухсекционной продавочной пробкой, нижняя секция которой имеет сквозной канал и связана срезным штифтом с разъединителем, и посадочную втулку, соединенную с посадочной муфтой срезным штифтом и взаимодействующую с шаром, сбрасываемым в транспортировочную колонну, причем разъединитель установлен на верхней секции корпуса с возможностью вращения, взаимодействуя с ней без продольного перемещения, и соединен левой резьбой с нажимной втулкой пакера, которая установлена на верхней секции корпуса с возможностью продольного перемещения и связана с ней шпоночным соединением.

Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей, таких как секционный корпус, двухсекционная продавачная пробка, клапанно-запорный узел и так далее;

- во-вторых, сложен процесс проведения технологических операций по установке и герметизации хвостовика в обсадной колонне, поскольку много промежуточных операций, требующих значительных затрат времени и соблюдения строгой последовательности в работе, нарушение которой может привести к возникновению необходимости оперативного извлечения хвостовика из скважины для предотвращения аварии в виде прихвата, а затем после разбуривания оставшегося в скважине цементного стакана повторить операцию установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине;

в-третьих, большая трудоемкость работ, связанная с большим количеством разбуриваемых деталей (посадочная муфта, посадочная втулка и так далее) после цементирования хвостовика в обсадной колонне скважины.

Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства, а также снижение трудоемкости и сокращение технологических операций в скважине при установке и герметизации хвостовика обсадной колонны.

Поставленная задача решается устройством для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине, включающим полый корпус, разъединитель и связанную с ним транспортировочную колонну, пакер и якорь, установленные в верхней части полого корпуса, разъединитель с левой резьбой, нажимную втулку, установленную в верхней части полого корпуса с возможностью осевого перемещения, хвостовик, выполненный в виде фильтровой колонны, в верхней части которой расположен перфорированный патрубок для вытеснения тампонажного раствора, разбуриваемую пробку, установленную между хвостовиком и перфорированным патрубком, продавочную пробку, устанавливаемую в транспортировочную колонну, клапанно-запорный узел, выполненный в виде разбуриваемого обратного клапана, установленного между полым корпусом и перфорированным патрубком.

Новым является то, что разъединитель левой резьбой соединен с верхним концом корпуса, при этом снизу разъединитель снабжен полым патрубком, который сверху оснащен стаканом, имеющим возможность герметичного взаимодействия с внутренними стенками полого корпуса, причем снизу в полый патрубок телескопически установлен полый шток с радиальными отверстиями снизу, причем полый патрубок в нижней части оснащен радиальными отверстиями, имеющими возможность герметичного перекрытия полым штоком, который имеет возможность взаимодействия с обратным клапаном в рабочем положении, при этом якорь выполнен в виде подпружиненных внутрь плашек, закрепленных на полом цилиндре, концентрично установленном на полом корпусе с возможностью осевого и вращательного перемещения посредством пружинных центраторов, установленных снаружи полого цилиндра и направляющего штифта, жестко соединенного с полым корпусом и размещенного в сквозном фигурном пазу, выполненном в нижней части полого цилиндра, причем сквозной фигурный паз состоит из короткой и длинной проточек, при этом верхняя часть короткой проточки соединена со средней частью длинной проточки, а нажимная втулка пакера снизу снабжена конусной поверхностью, сужающейся сверху вниз и имеющей возможность взаимодействия с плашками якоря в рабочем положении, в котором направляющий штифт находится в длинной проточке сквозного фигурного паза, при этом в транспортном положении направляющий штифт находится в короткой проточке сквозного фигурного паза.

На фиг.1 показан общий вид устройства (в исходном положении).

На фиг.2 - вид сквозного фигурного паза, выполненного в полом цилиндре.

Устройство включает полый корпус 1 (см. фиг.1), разъединитель 2 и связанную с ним транспортировочную колонну 3. В верхней части полого корпуса 1 установлены пакер 4 и якорь 5. Разъединитель 2 соединен с полым корпусом 1 левой резьбой 6. Нажимная втулка 7 пакера 4 установлена с возможностью осевого перемещения в верхней части полого корпуса 1. Хвостовик 8 выполнен в виде фильтровой колонны, в верхней части которой расположен перфорированный патрубок 9 для вытеснения тампонажного раствора.

Разбуриваемая пробка 10 герметично установлена между хвостовиком 8 и перфорированным патрубком 9. Между полым корпусом 1 и перфорированным патрубком 9 установлен клапанно-запорный узел, выполненный в виде разбуриваемого обратного клапана 11, а продавочная пробка 12 размещена в транспортировочной колонне 3.

Разъединитель 2 снизу снабжен полым патрубком 13 и телескопически установленным в него снизу полым штоком 14 с радиальными отверстиями 15 снизу. Полый патрубок 13 в нижней части оснащен радиальными отверстиями 16, имеющими возможность герметичного перекрытия полым штоком 14. Полый шток 14 имеет возможность взаимодействия с обратным клапаном 11 в рабочем положении.

Якорь 5 выполнен в виде подпружиненных внутрь плашек 17, закрепленных на полом цилиндре 18, концентрично установленном на полом корпусе 1 с возможностью осевого и вращательного перемещения посредством пружинных центраторов 19, взаимодействующих с внутренними стенками обсадной колонны (не показано), установленных снаружи полого цилиндра 18 и направляющего штифта 20, жестко соединенного с полым корпусом 1 и размещенного в сквозном фигурном пазу 21, выполненном в нижней части полого цилиндра 18.

Сквозной фигурный паз 21 (см. фиг.2) состоит из короткой 22 и длинной 23 проточек, причем верхняя часть короткой проточки 22 соединена со средней частью 24 длинной проточки 23. Снизу нажимная втулка 7 пакера 4 оснащена конусной поверхностью 25, сужающейся сверху вниз и имеющей возможность взаимодействия с плашками 17 (см. фиг.1) якоря 5 в рабочем положении, в котором направляющий штифт 20 находится в длинной проточке 23 сквозного фигурного паза 21.

В транспортном положении направляющий штифт 20 находится в короткой проточке 22 сквозного фигурного паза 21.

Хвостовик 8 с перфорированным патрубком 9, а также полый корпус 1 с перфорированным патрубком 9 соединены посредством муфт 26 и 27 соответственно. Перфорированный патрубок 9 оснащен отверстиями 28, а полый патрубок 13 сверху оснащен стаканом 29, имеющим возможность герметичного взаимодействия посредством уплотнительных колец 30 с внутренними стенками полого корпуса 1.

Вспомогательные крепежные элементы на чертеже не обозначены.

Устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине работает следующим образом.

Перед спуском устройства в скважину производят его сборку, при этом нижний конец полого штока 14 взаимодействует с клапанно-запорным узлом, выполненным в виде разбуриваемого обратного клапана 11, а радиальные отверстия 16 полого патрубка 13, герметично перекрыты полым штоком 14.

Далее устройство в транспортном положении (направляющий штифт 20 находится в нижней части короткой проточки 22 сквозного фигурного паза 21, как показано на чертеже) на транспортировочной колонне 3 спускают в скважину, периодически производя долив жидкости в трубы транспортировочной колонны 3.

После спуска хвостовика 8 в необходимый интервал обсадной колонны в скважине транспортировочную колонну 3 приподнимают вверх на длину, большую длины короткой проточки 22 сквозного фигурного паза 21 (примерно 0,5 метра), а затем поворачивают транспортировочную колонну 3 на пол-оборота и опускают вниз, частично разгружая устройство примерно на 10-15 кН. В результате проведенных манипуляций направляющий штифт 20 сначала перемещается из нижней части в верхнюю часть короткой проточки 22, а затем в среднюю часть 24 длинной проточки 23 и далее в нижнюю часть длинной проточки 23 сквозного фигурного паза 21, при этом подпружиненные внутрь плашки 17 якоря 5 вступают во взаимодействие с конусной поверхностью 25 нажимной втулки 7 и прижимаются к внутренним стенкам обсадной колонны. В результате этого устройство фиксируется в обсадной колонне в заданном интервале скважины.

После этого вращением по часовой стрелке, транспортировочной колонны 3 с разъединителем 2 и полым патрубком 13 с полым штоком 14 на конце, производят отворот разъединителя 2 с полого корпуса 1.

После полного свинчивания разъединителя 2 с полого корпуса 1 произойдет их рассоединение. После чего транспортировочную колонну 3 с разъединителем 2 полым патрубком 13 с полым штоком 14 на конце приподнимают на 1,5-2 метра, чтобы убедиться в надежности отворота левой резьбы 6 (на индикаторе веса, установленного на устье скважины, наблюдается снижение веса). Далее вновь опускают транспортировочную колонну 3 с разъединителем 2 вниз, до тех пор пока стакан 29 полого патрубка 13 герметично своими уплотнительными кольцами 30 не вступит во взаимодействие с внутренними стенками полого корпуса 1.

Далее нагнетанием с поверхности необходимого объема тампонажного раствора производят цементирование ствола скважины в интервале от продуктивного пласта, то есть от хвостовика 8 до верхнего торца разъединителя 2. После закачки тампонажного раствора в транспортировочную колонну 3 посылают продавочную пробку 12 и перемещают ее нагнетанием буферной и продавочной жидкости по транспортировочной колонне 3 до посадки продавочной пробки 12 на верхний торец полого штока 14, при этом тампонажный раствор вытесняется продавочной пробкой 12 из транспортировочной колонны 3, сквозь полый шток 14 и радиальные отверстия 15 последнего и далее через отверстия отжимаемого вниз обратного клапана 11 и отверстия 28 перфорированного патрубка 9 в пространство между хвостовиком 8 и обсадной колонной скважины. При этом разбуриваемая пробка 10 предотвращает попадание тампонажного раствора в полость хвостовика 8, выполненного в виде фильтровой колонны, и, следовательно, в интервал продуктивного пласта открытого ствола скважины, что позволяет сохранить проницаемость коллектора и дебит скважины.

Для более надежной герметизации кольцевого пространства между устройством и обсадной колонной приводят в действие пакер 4, для чего полностью разгружают устройство на якорь 5, зафиксированный на внутренних стенках обсадной колонны. В итоге подпружиненные внутрь плашки 17 якоря 5 более сильнее прижимаются к внутренним стенкам обсадной колонны, при этом нажимная втулка 7 перемещается вверх относительно полого корпуса 1 и сжимает пакер 4, который, расширяясь радиально, входит в контакт с внутренними стенками обсадной колонны, вытесняя тампонажный раствор из кольцевого пространства между пакером 5 и стенкой обсадной колонны, при этом направляющий штифт 22 перемещается в верхнюю часть длинной проточки 23 сквозного фигурного паза 21.

Включением на поверхности насоса нагнетают буферную жидкость в транспортировочную колонну 3, при этом продавочная пробка 12 перемещается вниз вместе с полым штоком 14 до упора полого штока 14 верхним торцом в нижний торец полого патрубка 13, при этом полый шток 14, телескопически установленный в полом патрубке 13, выдвигается вниз и открываются радиальные отверстия 16 полого патрубка 13.

В результате появляется циркуляция жидкости через транспортировочную колонну 3 и радиальные отверстия 16 полого патрубка 13 на устье скважины. Циркуляцией жидкости вымывают остатки тампонажного раствора над устройством, после чего транспортировочную колонну 3 с разъединителем 2 и соединенным с ним полым патрубком 13 с полым штоком 14 извлекают из скважины.

Далее, после затвердевания тампонажного раствора и образования цементного камня в кольцевом пространстве между устройством и стволом скважины, в нее спускают бурильную колонну с долотом (не показано) и разбуривают продавочную пробку 12 с клапанно-запорным узлом, выполненным в виде разбуриваемого обратного клапана 11, а также разбуриваемую пробку 10, обеспечивая соединение внутренних полостей полого корпуса 1 и хвостовика 8. После этого бурильную колонну с долотом извлекают из скважины.

Устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны имеет простую конструкцию, что повышает надежность работы устройства, а снижение трудоемкости работ связано с сокращением разбуриваемых деталей и технологических операций в скважине при установке и герметизации хвостовика обсадной колонны, что позволяет значительно сократить материальные и финансовые затраты.