способ установки профильного перекрывателя в скважине и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ установки профильного перекрывателя в скважине, включающий спуск перекрывателя со спускным устройством на трубах в интервал установки скважины с промывкой, создание избыточного внутреннего давления для выправления профилей перекрывателя до их взаимодействия со стенками скважины с последующим плотным и герметичным прижатием к стенкам скважины, отличающийся тем, что перед спуском перекрывателя спускное устройство для контроля перепада давлений снаружи и внутри перекрывателя оснащают перепускным механизмом для сообщения внутреннего пространства с наружным при избыточном давлении во время промывки, меньшем давления начала пластической деформации профилей перекрывателя и большем потери давления жидкости на перекрывателе при промывке, перед выправлением профилей перекрывателя перепускное устройство отключают.

2. Устройство для осуществления способа, включающее спускное устройство, профильный перекрыватель, оборудованный снизу башмаком под бросовый шар, а сверху - присоединительной резьбой для герметичного соединения со спускным устройством, отличающееся тем, что выше перекрывателя спускное устройство оснащено перепускным механизмом, состоящим из корпуса с радиальными каналами, перекрываемыми перепускным клапаном, который поджат пружиной с регулируемым усилием.

3. Устройство для осуществления способа по п.2, отличающееся тем, что перепускной клапан выполнен пропускающим снаружи внутрь.

4. Устройство для осуществления способа по п.2, отличающееся тем, что корпус перепускного механизма оснащен полой втулкой с эластичной в радиальном направлении втулкой вверху, причем полая втулка вставлена в корпус с возможностью ограниченного перемещения вниз с герметичным перекрытием радиальных каналов и зафиксирована в верхнем положении срезным элементом, а эластичная в радиальном направлении втулка выполнена с возможностью пропуска бросового шара при нагрузке, превышающей усилие разрушения срезного элемента и перемещения вниз втулки, при этом перепускной клапан выполнен с возможностью пропускания изнутри наружу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бурению и капитальному ремонту скважин, а именно к технологии и средствам ликвидации зон осложнения при бурении скважин и ремонта обсадных колонн при нарушении их герметичности.

Известны устройства для перекрытия зоны осложнения в скважине, содержащие профильную трубу с цилиндрическими участками по концам, на нижнем из которых размещен башмак с обратным клапаном, а в верхнем - расширитель с вальцующими элементами (патенты SU № 1712581, МПК Е21В 29/10, опубл. 1992 г., SU № 1070989, МПК Е21В 29/00, опубл. 1994 г.).

В описании изобретения к этим а.с. приводится также способ установки данных устройств в скважине, заключающийся в сборке перекрывателя на поверхности скважины, его спуске в скважину на бурильных трубах до зоны осложнения скважины или места нарушения обсадной колонны и последующем расширении профильных труб путем нагнетания жидкости во внутреннюю полость перекрывателя.

Существенным недостатком данного способа и устройства является невозможность промывки скважины при спуске устройства в скважину, т.к. качество крепления скважин профильными перекрывателями в значительной мере определяется степенью очистки их ствола от частиц выбуренной породы, особенно в наклонных и горизонтальных скважинах. Обратные клапаны в указанных устройствах " служат для пропуска скважинной жидкости при спуске бурильной колонны труб с перекрывателем внутрь их полостей и не позволяют осуществлять промывку забоя одновременно со спуском инструмента в скважину. Следствием этого является забивание внутренней полости профильного перекрывателя и пространства за его наружной стенкой шламом, в результате чего становится невозможной установка перекрывателя или недоспуск его до нужного интервала " (см. описание к патенту RU № 2187619, МПК Е21В 29/10, опубл. 2002 г.).

Известен также башмак для установки профильного перекрывателя в скважине (патент RU № 2187619, МПК Е21В 29/10, опубл. 2002 г.), включающий корпус с центральным проходным каналом, в котором размещено седло с клапаном. Клапан в центральном канале корпуса установлен неподвижно и снабжен фиксатором, а седло клапана телескопически соединено с корпусом с помощью временного разрушаемого соединения, имеет внутренний выступ, взаимодействующий с фиксатором клапана.

В описании изобретения к этому патенту приводится также способ установки оборудованного данным устройством профильного перекрывателя в скважине, который заключается в следующем.

Корпус башмака присоединяют к профильному перекрывателю и на колонне бурильных труб их спускают в зону установки перекрывателя. При подходе компоновки к забою скважины включают насосы и осуществляют промывку скважины. При этом нагнетаемая жидкость циркулирует по колонне бурильных труб, профильному перекрывателю и через отверстия проходного канала поступает на забой скважины, и по затрубному пространству изливается на поверхность скважины. После очистки забоя скважины от шлама опусканием колонны бурильных труб с перекрывателем создают нагрузку на седло башмака перекрывателя, которое упирается в забой скважины. При этом штифты, крепящие седло к корпусу башмака, срезаются, седло перемещается внутри корпуса и перекрывает проходной канал. После этого созданием внутреннего давления расширяют и устанавливают профильный перекрыватель.

Существенным недостатком этого способа установки профильных труб (с осуществлением промывки скважины) и устройства для его осуществления является опасность преждевременного расширения профильных труб в процессе их спуска в скважину до достижения проектной глубины установки. Причиной этого является превышение избыточного внутреннего давления в профильных трубах (т.е. разности давления жидкости внутри и снаружи перекрывателя на одной глубине) над критическим внутренним давлением, при котором начинается расширение и увеличение размеров поперечного сечения профильных труб. Избыточное внутреннее давление в перекрывателе возникает из-за гидравлических потерь напора по длине профильного перекрывателя при перетоке жидкости, величина которых может достигать десятков атмосфер в зависимости от состояния ствола скважины, длины перекрывателя, величины расхода жидкости при промывке скважины, от соотношения диаметров ствола скважины и спускаемого оборудования. Кроме этого возможны нестандартные ситуации, когда вследствие осыпания участков ствола скважины при спуске оборудования происходит частичное перекрытие кольцевого затрубного пространства. В этом случае при промывке скважины в затрубном пространстве происходит резкое падение давления, которое приводит к тому, что избыточное внутреннее давление становится больше того давления, при котором происходит расширение профильных труб перекрыватедя. Вследствие этого профильные трубы перекрывателя при их спуске в скважину, не дойдя еще до нужной глубины, расширяясь, цепляются за стенки скважины, и дальнейший спуск (и даже извлечение перекрывателя из скважины) становится проблематичным.

Также известен способ установки хвостовика обсадной колонны в скважину (патент SU № 1813171, МПК Е21В 43/10, опубл. 30.04.1993 г., БИ № 16), являющийся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и включающий в себя спуск хвостовика в скважину, установку его верхней части в нижнем конце предыдущей обсадной колонны и промывку скважины. После промывки скважины сбрасывают шар, который, проходя через ограничитель его обратного подъема, садится в седло шарового клапана и перекрывает проходной канал. После закрытия шарового клапана в полости хвостовика создают давление, под действием которого выправляются профильные трубы устанавливаемого хвостовика. После расширения профильных труб не до конца выправленные участки труб привальцовывают к стенкам обсадной колонны вальцующим устройством.

Устройство хвостовика обсадной колонны по указанному патенту включает профильные трубы с цилиндрическими участками и резьбовыми соединениями по концам, присоединенный к нижней части хвостовика башмак с седлом под шаровой клапан и ограничителем его обратного подъема.

Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является тот же, что и у способа и устройства по патенту RU № 2187619 (см. выше). Это опасность преждевременного, до достижения проектной глубины установки, расширения профильных труб в процессе их спуска в скважину, при осуществлении промывки скважины.

Необходимо также отметить, что при спуске профильного перекрывателя, конструкция которого допускает обратную промывку, возникает подобная же опасность превышения избыточного наружного давления над критическим давлением смятия профильной трубы, что приведет к смятию профильной трубы, потере формы ее поперечного сечения и дальнейшей невозможности установки профильного перекрывателя.

Таким образом, общими недостатками каждого из применяемых способов установки профильных перекрывателей в скважину и устройств для их осуществления является недостаточная надежность технологии крепления скважин профильными перекрывателями из-за возникновения опасности преждевременного расширения профильных труб при спуске перекрывателя в скважину с использованием прямой промывки скважины, и наоборот, смятия избыточным наружным давлением профильных труб при применении обратной промывки. Эта опасность возрастает при необходимости устанавливать в скважину перекрыватель большой (100-200 м) длины, а также при установке перекрывателя в скважину с осыпающимися стенками ствола, когда в обоих этих случаях резко возрастают гидравлические потери напора по длине перекрывателя, а следовательно, и разница между внешним и внутренним гидравлическим давлением. Следствием этого будет являться или заклинивание перекрывателя в стволе скважины из-за его преждевременного расширения, не доходя до проектной глубины (при прямой промывке скважины), или наружное смятие профильных труб перекрывателя с нарушением их прочности (при осуществлении обратной промывки скважины).

Технической задачей изобретения является повышение надежности установки в скважине профильного перекрывателя за счет уменьшения перепада давления внутри и снаружи перекрывателя и вследствие этого предотвращения преждевременной необратимой пластической деформации профилей труб при их спуске с осуществлением промывки скважины.

Указанная задача решается способом установки профильного перекрывателя в скважине, включающим спуск перекрывателя со спускным устройством на трубах в интервал установки скважины с промывкой, создание избыточного внутреннего давления для выправления профилей перекрывателя до их взаимодействия со стенками скважины с последующим плотным и герметичным прижатием к стенкам скважины.

Новым является то, что перед спуском перекрывателя спускное устройство для контроля перепада давлений снаружи и внутри перекрывателя оснащают перепускным механизмом для сообщения внутреннего пространства с наружным при избыточном давлении во время промывки, меньшем давления начала пластической деформации профилей перекрывателя и большем потери давления жидкости на перекрывателе при промывке, перед выправлением профилей перекрывателя перепускное устройство отключают.

Техническая задача для реализации данного способа решается устройством, включающим спускное устройство, профильный перекрыватель, оборудованный снизу башмаком под бросовый шар, а сверху присоединительной резьбой для герметичного соединения со спускным устройством.

Новым является то, что выше перекрывателя спускное устройство оснащено перепускным механизмом, состоящим из корпуса с радиальными каналами, перекрываемыми перепускным клапаном, который поджат пружиной с регулируемым усилием.

Новым является также то, что перепускной клапан выполнен пропускающим снаружи внутрь.

Новым является также то, что корпус перепускного механизма оснащен полой втулкой с эластичной в радиальном направлении втулкой вверху, причем полая втулка вставлена в корпус с возможностью ограниченного перемещения вниз с герметичным перекрытием радиальных каналов и зафиксирована в верхнем положении срезным элементом, а эластичная в радиальном направлении втулка выполнена с возможностью пропуска бросового шара при нагрузке, превышающей усилие разрушения срезного элемента и перемещения вниз втулки, при этом перепускной клапан выполнен с возможностью пропускания изнутри наружу.

На фиг.1 изображено спускное устройство с перепускным механизмом для осуществления спуска и установки перекрывателя с прямой промывкой скважины.

На фиг.2 изображен профильный перекрыватель, соединенный со спускным устройством.

На фиг.3 и 4 изображен перепускной клапан перепускного механизма с возможностью пропускания изнутри наружу (т.е. для осуществления прямой промывки скважины) в закрытом и открытом состоянии, соответственно.

На фиг.5 - разрез Б-Б фиг.1 (увеличено).

На фиг.6 показан перепускной механизм (с возможностью пропускания изнутри наружу, т.е для осуществления прямой промывки скважины) по достижении профильного перекрывателя проектной глубины и после его отключения.

На фиг.7 показан башмак профильного перекрывателя с бросовым шаром.

На фиг.8 изображен профильный перекрыватель, установленный в заданный интервал скважины.

На фиг.9 изображено спускное устройство с перепускным механизмом для осуществления спуска и установки перекрывателя с обратной промывкой скважины.

На фиг.10 изображен профильный перекрыватель, соединенный со спускным устройством (для осуществления обратной промывки скважины).

На фиг.11 изображен перепускной клапан перепускного механизма, пропускающий снаружи внутрь (т.е. для осуществления обратной промывки скважины), в закрытом состоянии.

Предлагаемый способ установки профильного перекрывателя в скважине с промывкой заключается в следующем (см. фиг.1-6 - для прямой промывки, фиг.9, 10, 11 - для обратной промывки, фиг.7, 8 - общие для обоих случаев промывки).

Профильный перекрыватель 1 (фиг.2 или 10), скомпонованный из профильных труб 2 с цилиндрическими участками 3 по концам, со спускным устройством 4 (фиг.1 или фиг.9) на бурильных или насосно-компрессорных трубах 5 спускают в скважину. При спуске устройства проводят промывку скважины, которая должна обеспечить очистку ствола и беспрепятственное прохождение перекрывателя 1 (фиг.2 или 10) на заданную глубину до места его установки.

При перепаде давлений снаружи и внутри перекрывателя 1, близком к началу пластической деформации профилей 2 перекрывателя 1, срабатывает предварительно отрегулированный путем поджатия пружины 6 (фиг.1 или фиг.9) на это избыточное давление перепускной клапан 7. При этом через радиальные каналы 8 корпуса 9 перепускного механизма 10 устанавливается сообщение жидкости внутреннего пространства перекрывателя 1 (фиг.2 или 10) с наружным. Вследствие этого уменьшается перепад давлений промывочной жидкости внутри и снаружи перекрывателя 1. Величина настройки перепускного клапана 7 (фиг.1 или 9) зависит от типоразмера устанавливаемого перекрывателя 1 (фиг.2 или 10), а именно от диаметра, толщины стенки, конфигурации профилей 2 труб, длины перекрывателя 1 и составляет около 10-15 атм.

При уменьшении перепада давлений ниже давления срабатывания перепускного клапана 7 (фиг.1 или 9) его запорные элементы 11 (фиг.3, 4 или 11) под действием усилия пружины 6 (фиг.1 или 9) вновь садятся в седла перепускного клапана 7, сообщение жидкости внутреннего пространства перекрывателя 1 (фиг.2 или 10) с наружным через перепускной клапан 7 (фиг.1 или 9) прерывается и осуществляется переток всего объема жидкости через сквозной канал 12 (фиг.2 или 10) в башмаке 13 перекрывателя 1 для промывки скважины.

После спуска перекрывателя 1 в интервал установки скважины, т.е. до места ремонта ствола скважины или обсадной колонны (не показано), после прекращения промывки вовнутрь труб 5 (фиг.1 или 9) бросают шаровой запорный элемент (бросовый шар) 14 (фиг.2 или 10), который в случае обратной промывки садится в седло клапана 15 (см. фиг.7, 8) башмака 13 и перекрывает его проходное отверстие 12. После этого подачей внутрь перекрывателя 1 (фиг.8) гидравлического давления расширяют профили труб 2, затем вальцевателем (не показан) развальцовывают цилиндрические 3 и недовыправленные внутренним давлением участки профильных труб 2 и отсоединяют башмак 13. Перекрыватель установлен в интервал осложнения скважины или на место нарушения обсадной колонны.

Необходимо отметить, что при использовании обратной промывки промывочная жидкость вместе с содержащимися в ней шламом, посторонними включениями проходит через башмак 13 (фиг.10) и перекрыватель 1. В результате этого герметичная посадка бросового шара 14 (фиг.7) в седло клапана 15 башмака 13 в некоторых случаях может быть проблематичной. Следствием этого (т.е. негерметичности пары седло клапана 15 башмака 13 - бросовый шар 14) может стать невозможность создания достаточно большого (15,0-18,0 МПа) избыточного внутреннего давления для полного расширения профильных труб. Поэтому прямая промывка скважины часто является обязательным условием в технологическом регламенте проведения ремонтных работ в скважине.

При прямой промывке (см. фиг.1-6) оснащение спускного устройства 4 (фиг.1) перепускным механизмом 10 осложняется тем, что после спуска перекрывателя 1 (фиг.2) на заданную глубину необходимо отсечь перепускной клапан 7 (фиг.1) и кроме этого нужно обеспечить доставку бросового шара 14 (фиг.2) до седла клапана 15 башмака 13, чтобы обеспечить герметичность полости профильных труб 2 для их расширения внутренним давлением. Эти задачи решаются следующим образом.

Перепускной клапан 7 (фиг.1, 4) уменьшает перепад давления внутри и снаружи перекрывателя 1 (фиг.2) во время промывки скважины. После спуска перекрывателя 1 до заданной глубины вовнутрь бурильных труб 5 (фиг.1) бросают шаровой запорный элемент (бросовый шар) 14 (фиг.6), который садится в седло конической эластичной в радиальном направлении втулки 16. После этого повышают давление в бурильных трубах 5. Под действием внутреннего давления бросовый шар 14 (показан условно) через эластичную в радиальном направлении втулку 16 с осевым усилием воздействует на полую втулку 17, которая, смещаясь вдоль корпуса 9 перепускного механизма 10, разрушает срезной элемент 18 и перекрывает радиальные каналы 8 в корпусе 9 перепускного механизма 10, подведенные к перепускному клапану 7. Выступ 19 корпуса 9 перепускного механизма 10 ограничивает дальнейшее осевое смещение полой втулки 17 вниз. Перепускной клапан 7 отсекается от дальнейшей работы по уравниванию наружного и внутреннего давления в перекрывателе 1 (фиг.2).

После разрушения срезного элемента 18 (фиг.6) эластичная в радиальном направлении втулка 16 опускается вдоль корпуса 9 перепускного механизма 10 до места его диаметрального расширения 20. Под действием радиальных усилий от бросового шара 14, воздействующего на конические стенки эластичной в радиальном направлении втулки 16, данная втулка 16 радиально расширяется, пропуская через себя бросовый шар 14 к профильным трубам 2 (фиг.2). Далее, после повышения давления в профильных трубах 2 перекрывателя 1 и их последующего первоначального расширения (перепускной клапан 7 (фиг.6) при этом уже перекрыт), бросовый шар 14 (фиг.7) достигает седла клапана 15 башмака 13 перекрывателя. После этого внутренняя полость перекрывателя 1 становится герметичной (т.к. отсечен перепускной клапан 7 (фиг.6) и закрыт клапан 15 (фиг.7) в башмаке 13 перекрывателя). При дальнейшем повышении давления до 15,0-18,0 МПа профильные трубы полностью расширяются (см. фиг.8), затем цилиндрические 3 и недовыправленные участки профильных труб 2 развальцовываются вальцевателем (не показан), башмак 13 отсоединяется от перекрывателя 1.

Устройство для осуществления предлагаемого способа состоит из перекрывателя 1 (фиг.2 или 10), скомпонованного из профильных труб 2 с цилиндрическими участками 3 по концам, к которым присоединены на нижнем конце - башмак 13 со сквозным каналом 12 для промывки ствола скважины при спуске перекрывателя 1 и с седлом клапана 15 под бросовый шар 14, на верхнем конце - спускное устройство 4 (фиг.1 или 9), в состав которого могут входить, например, соответствующее замку (не показан) башмака 13 (фиг.2 или 10) захватное устройство (не показано) для отсоединения башмака 13 после установки перекрывателя 1, пуансон (не показан) или вальцующее устройство (не показано) для окончательной диаметральной раздачи цилиндрических участков 3 перекрывателя 1. Кроме этого спускное устройство 4 (фиг.1 или 9) согласно изобретению оснащено перепускным механизмом 10, включающим корпус 9 с радиальными каналами 8, подведенными к перепускному клапану 7 и перекрытыми запорными элементами 11, например тарельчатыми (фиг.3, 4 или 11), поджатыми пружиной с регулируемым усилием 6 (фиг.1).

В случае использования обратной промывки перепускной клапан 7 (фиг.9) выполнен пропускающим жидкость снаружи внутрь устройства.

В случае использования прямой промывки, дополнительно к вышеперечисленному, вовнутрь корпуса 9 (фиг.1) перепускного механизма 10 телескопически вставлена полая втулка 17, удерживаемая от продольного осевого перемещения срезным элементом 18. На полую втулку 17 своей нижней торцовой поверхностью опирается коническая эластичная в радиальном направлении втулка 16, которая может быть выполнена, например, целиком из жесткой резины или в виде прочных отдельных секторов 21 (фиг.5), завулканизированных в эластичную обойму 22, и имеющая возможность радиального расширения вследствие упругости эластомера.

Корпус 9 (фиг.1) перепускного механизма 10 имеет диаметральное расширение 20, соответствующее максимальной толщине конической эластичной в радиальном направлении втулки 16 для свободного прохождения бросового шара 14 (фиг.2), который сбрасывается вовнутрь устройства после его спуска до проектной глубины.

В нижней части корпуса 9 (фиг.1) перепускного механизма 10 расположен выступ 19, ограничивающий ход полой втулки 17, а несколько выше и ниже радиальных каналов 8 установлены уплотнительные элементы 23. Перепускной клапан 7 перепускного механизма 10 выполнен с возможностью пропускания жидкости изнутри наружу устройства.

Преимущество предлагаемого способа и устройства для его осуществления заключается в том, что оно позволяет предотвратить преждевременное расширение профильных труб перекрывателя (или, наоборот, их сжатие вследствие потери устойчивости поперечного сечения) при одновременной, необходимой при установке перекрывателей, прямой или обратной промывке скважины.