УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ РЕЗЬБОВОГО МУФТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ В СКВАЖИНЕ Российский патент 1998 года по МПК E21B29/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для восстановления герметичности резьбовых муфтовых соединений эксплуатационной колонны нефтяных и газовых скважин.

Известно устройство, используемое в технологии ремонта обсадных колонн, преимущественно при герметизации резьбовых соединений [1]. Устройство состоит из корпуса с двумя пакерующими элементами, камеры с герметизирующим изоляционным материалом, электронагревателя и электроклапанов для управления процессов. Устройство спускают в скважину на колонне труб с токопроводом. Определение негерметичности муфтового соединения осуществляют путем подачи воздуха по колонне труб и опрессовки. Подачу герметизирующего изоляционного состава в резьбу муфтового соединения осуществляют после ее нагрева и охлаждения паров герметизирующего состава в резьбе.

Недостатком указанной конструкции и технологии герметизации в целом является ее ненадежность и неэффективность, обусловленная следующими причинами:
- отсутствием системы установки устройства точно в месте расположения муфтового соединения;
- необходимостью применения воздуха или инертного газа в качестве рабочего тела, используемого для определения негерметичности, что увеличивает временные трудозатраты и ограничивает применение технологии в ряде скважин, где пластовое давление сравнимо с давлением воздуха в колонне труб;
- необходимостью полной разрядки полости колонны труб от газа высокого давления при каждом цикле поиска, опрессовки и герметизации стыка;
- сложностью процесса нагрева участка эксплуатационной колонны выше температуры плавления и перехода в газообразное состояние парафина за короткое время;
- сложностью создания давления, значительно превосходящего давление в пласте для обеспечения ввода герметизирующего состава в винтовой канал резьбового соединения на всю его длину, т.к. ограничена мощность существующих промысловых компрессоров;
В качестве прототипа взято устройство для восстановления герметичности резьбовых соединений колонн в скважине [2]. Устройство содержит пакеры, камеру с рабочим агентом для пакера и расположенную под ней камеру с герметизирующим составом, перегородку между камерами, корпус с осевыми и радиальными каналами для рабочего агента пакера и герметизирующего состава, узел привода, выполненный в виде дифференциального поршня, образующего с корпусом кольцевую полость, сообщающуюся в крайнем нижнем положении с полостью пакеров через радиальный и осевые каналы корпуса, и узел управления, выполненный в виде камеры, гидравлически связанной со скважинным пространством и через подпружиненный клапан - с надпоршневой полостью узла привода. Устройство с заполненной герметизирующим составом камерой на тросе спускают в скважину ниже места расположения негерметичного муфтового соединения. Натяжением троса устройство перемещают вверх до упора локатором в стык труб муфтового соединения. Сообщают полость над дифференциальным поршнем со скважинным пространством, заполненным жидкостью. При этом дифференциальный поршень перемещается в осевом канале корпуса и выдавливает рабочую жидкость в полости пакеров под давлением, превышающим давление жидкости в скважине. Затем при дальнейшем перемещении дифференциальный поршень перекрывает каналы подачи рабочей жидкости в полость пакеров и разрывает перегородку между камерами. Мембрана на выходном отверстии корпуса разрушается и герметик выдавливается в полость скважины между пакерами. Дифференциальный поршень при дальнейшем перемещении соединяет полости пакеров, через каналы в теле корпуса с кольцевой полостью и давление сбрасывается. Этим достигается привод (возврат) пакеров в исходное положение для транспортировки из скважины.

Недостатком указанной конструкции является ненадежность и неэффективность, обусловленная следующими причинами:
- отсутствует связь кольцевой полости между дифференциальным поршнем и корпусом, что проблематично для осуществления технологической операции в целом. Если этой связи нет, то проблематично осуществить перемещение дифференциального поршня даже в случае обеспечения гидравлической связи кольцевой полости под дифференциальным поршнем с полостью скважины - устройство также не будет работать, поскольку невозможно создать необходимое давление для ввода герметизирующего состава в резьбовое соединение;
- устройство позволяет осуществить только одну технологическую операцию за один спуск - подъем (если выполнимы вышеуказанные условия);
- необходимым условием работы устройства является обязательное использование всего объема герметизирующего состава из камеры в полость скважины, поскольку только в этом случае возможно образование гидравлической связи полости пакеров с кольцевой камерой под дифференциальным поршнем и съем пакеров с места установки. Но количество герметизирующего состава, который должен быть введен в винтовой резьбовой канал муфтового соединения, в каждом конкретном случае различно и определить объем заранее невозможно. Отсюда - проблематичен съем устройства с места установки.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, сводится к следующему: повышается надежность и эффективность проведения технологической операции восстановления герметичности резьбовых муфтовых соединений эксплуатационной колонны в скважине.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, содержащего пакер с узлом фиксации, уплотнителями и узлом привода, камеру с герметизирующим составом, узел управления, осевые и радиальные каналы для посадки пакера и подачи герметизирующего состава, в котором узел фиксации расположен между верхним и нижним уплотнителями и состоит из разрезной цанги с кулачками, выходящими за пределы корпуса гидроцилиндра, кольцевого поршня с разжимным конусом внутри гидроцилиндра, полость которого гидравлически связана с полостью лифтовой колонны труб, узел привода расположен на нижнем конце ствола пакера и состоит из гидроцилиндра с поршнем, жестко связанным со стволом пакера, причем полость гидроцилиндра предварительно перекрыта нижней втулкой с разрезной цангой, а осевой канал поршня перекрыт седлом с шаровым клапаном и гидравлически связан дросселем с полостью скважины, камера с герметизирующим составом выполнена с возможностью перемещения на штангах в лифтовой колонне труб и осевом канале ствола пакера и состоит из разъемного цилиндра, разделительного поршня и седла с подпружиненным торцовым клапаном, причем полость разъемного цилиндра над разделительным поршнем гидравлически связана с полостью лифтовой колонны труб, а полость под торцевым клапаном - с осевым каналом ствола пакера, узел управления расположен на нижнем конце разъемного цилиндра и состоит из удлинителя с толкателем, выполненным с возможностью взаимодействия с разрезной цангой нижней втулки при его возвратно-поступательном перемещении, причем осевой канал выполнен ступенчато с верхней втулкой под ним, установленной с возможностью взаимодействия с разъемным цилиндром и нижней втулкой при поочередном образовании гидравлической связи осевого канала ствола пакера с его приводом и полостью между уплотнителями.

Анализ изобретательского уровня показал, что совокупность конструктивных элементов изобретения не выявлена. Не выявлены технические решения, обеспечивающие принудительную и контролируемую подачу и прокачку изолирующего материала под избыточным давлением в резьбу муфтового соединения, что обусловлено взаимодействием разъемного цилиндра контейнера с сужением ствола пакера, исключающие подачу изолирующего материала в элементы привода пакера, что обусловлено наличием переменной гидравлической связи осевого канала ствола с полостью привода пакера и межтрубным пространством между уплотнителями.

Изобретение имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 показана конструкция устройства в положении определения места стыка с контейнером в осевом канале, разрез; на фиг. 2 - конструкция в положении открытия гидравлической связи полости гидроцилиндра пакера и посадки уплотнительных элементов; на фиг. 3 - конструкция в положении открытия гидравлической связи между межтрубным пространством с осевым каналом ствола и подачей герметизирующего состава в резьбовое муфтовое соединение; на фиг. 4 - конструкция в момент закрытия гидравлической связи между межтрубным пространством и осевым каналом ствола и подъема контейнера; на фиг. 5 - взаимное положение элементов устройства в момент съема его с места проведения технологической операции.

Устройство для восстановления герметичности резьбового муфтового соединения эксплуатационной колонны содержит пакер со стволом 1, соединенный верхним концом через переводник 2 и муфту 3 с лифтовой колонной труб 4. С внешней стороны на стволе 1 установлены верхний уплотнитель 5 и нижний уплотнитель 6, между которыми расположен узел фиксации пакера, включающий гидроцилиндр 7 с кольцевым поршнем 8, жестко связанным с разжимным конусом 9. В теле гидроцилиндра 7 по периметру выполнены окна 10 (см. фиг. 2), в которые выходят кулачки 11 разрезной цанги 12, жестко связанной другим концом с гидроцилиндром 7. Ход кольцевого поршня 8 относительно ствола 1 ограничен стопорным кольцом 13.

Узел привода-посадки уплотнителей 5 и 6 включает корпус гидроцилиндра 14 и поршень 15, жестко связанный с нижним концом ствола 1. Осевой канал поршня 15 перекрыт седлом 16 с установленным на нем шаровым клапаном 17, и гидравлически связан с полостью скважины дросселем 18. Кольцевая полость 19, образованная гидроцилиндром 14 и поршнем 15, гидравлически связана радиальным каналом 20 с осевым каналом ствола 1. В исходном положении радиальный канал 20 перекрыт нижней втулкой 21 с разрезной цангой 22. Нижний уплотнитель 6 расположен между корпусом гидроцилиндра 14 и переходником 23, жестко связанным другим концом с гидроцилиндром 7. Между переходником 23 и стволом 1 образована кольцевая камера 24, постоянно связанная с межтрубным пространством радиальным каналом 25 в переходнике 23 и отверстием 26 в теле ствола 1 с его осевым каналом. В исходном положении данное отверстие 26 перекрыто верхней втулкой 27.

Внутренняя полость гидроцилиндра 7 постоянно гидравлически связана каналом 28 с полостью лифтовой колонны труб.

В осевой канал ствола 1 на штангах 29 спущен контейнер (камера) с герметизирующим составом, состоящий из разъемного цилиндра 30, внутри которого установлен разделительный поршень 31 и седло 32 под подпружиненный торцовый клапан 33, полость 34 под которым гидравлически связана с осевым каналом ствола 1 перепускным отверстием 35. Полость разъемного цилиндра 30 над разделительным поршнем 31 связана с полостью лифтовой колонны труб 4 отверстием 36.

Контейнер оснащен узлом управления, включающим толкатель 37 на нижнем конце удлинителя 38, жестко связанного с разъемным цилиндром 30. Толкатель 37 выполнен таким образом, что может свободно проходить в осевом канале верхней втулки 27 и взаимодействовать с разрезной цангой 22 нижней втулки 21 как при движении сверху, так и снизу. Нижняя втулка 21 в исходном положении опирается на кольцевой выступ 39 в стволе 1. В осевом канале ствола 1 выполнено сужение 40, диаметр которого равен диаметр верхней части разъемного цилиндра 30. Нижняя часть разъемного цилиндра 30 выполнена меньшего диаметра, чем диаметр сужения 40, но большего диаметра, чем диаметр осевого канала верхней втулки 27.

Устройство установлено внутри эксплуатационной колонны 41 с муфтовым соединением 42.

Устройство работает следующим образом. Вводят внутрь лифтовой колонны труб 4 разъемный цилиндр 30 с герметизирующим составом до упора толкателем 37 в разрезную цангу 22 нижней втулки 21, деформируют ее в радиальном направлении и проходят ниже внутрь осевого канала поршня (см. фиг. 1). При этом разъемный цилиндр 30 не доходит до торцовой поверхности верхней втулки 27.

Отмечают это положение на устье скважины. В этом положении осуществляют герметизацию межтрубного пространства на устье скважины и поднимают давление в лифтовой колонне труб 4 на небольшую величину порядка 3,0-3,5 МПа.

Давление рабочей жидкости через канал 28 передается в полость гидроцилиндра 7 и действует на кольцевой поршень 8. При этом последний вводит разжимной конус 9 внутрь кулачков 11 разрезной цанги 12 и деформирует их к стенке трубы эксплуатационной колонны. Натяжением лифтовой колонны 4 перемещают устройство вверх до входа кулачков 11 в стык между трубами муфтового соединения 42. Контроль ведется по увеличению нагрузки на крюке.

Далее отмечают это положение на устье скважины и осуществляют подъем разъемного цилиндра 30 до ввода во взаимодействие толкателя 37 с разрезной цангой 22 нижней втулки 21.

Продолжают плавно перемещать разъемный цилиндр 30 вверх. При этом нижняя втулка 21 перемещается в осевом канале ствола 1 до упора в верхнюю втулку 27 и открывает радиальный канал 20 (см. фиг. 2). При определенном усилии толкатель 37 деформирует разрезную цангу 22 в радиальном направлении и проходит выше. Контроль прохода толкателя 37 ведется по снижению нагрузки на крюке на устье скважины. Не снижая давления в лифтовой колонне труб 4, осуществляют перемещение вниз колонной штанг 29 разъемного цилиндра 30 контейнера до упора толкателем 37 в разрезную цангу 22 нижней втулки 21, перемещают ее вниз внутри осевого канала ствола 1 до упора в кольцевой выступ 39. Продолжают перемещать разъемный цилиндр 30 вниз с толкателем 37. Это приводит к радиальной деформации разрезной цанги 22 нижней втулки 21 и переходу толкателя 37 ниже в осевой канал поршня 15. Контроль за проходом толкателя 37 - по увеличению нагрузки на крюке на устье скважины. Нижняя втулка 21 герметично перекрывает радиальный канал и прекращает гидравлическую связь полости корпуса нижнего гидроцилиндра 14 с осевым каналом ствола 1 (см. фиг. 3).

Сбрасывают давление рабочей жидкости в лифтовой колонне труб 4 и продолжает дальше перемещать разъемный цилиндр 30 контейнера вниз с опорой на верхнюю втулку 27 его нижним концом. При этом она также перемещается вниз до упора в разрезную цангу 22 нижней втулки 21 (см. фиг. 3). Контроль за перемещением - по изменению (снижению) нагрузки на крюке. В результате открывается гидравлическая связь межтрубного пространства с полостью осевого канала ствола 1. При этом через отверстие 26 верхней частью разъемный цилиндр 30 образует подвижное герметичное соединение с сужением 40 ствола 1 и герметичный торцовый контакт с верхней втулкой 27. Перепускное отверстие 35 располагается над верхней втулкой 27. Оставляют разъемный цилиндр 30 в этом положении и поднимают давление в лифтовой колонне труб 4 до значения, достаточного для обеспечения деформации верхнего 5 и нижнего 6 уплотнителей. Давление рабочей жидкости передается через радиальный канал 20 в полость гидроцилиндра 14. При этом поршень 15, жестко связанный со стволом 1, перемещается вниз относительно узла фиксации, а корпус гидроцилиндра 14 - вверх с деформацией верхнего 5 и нижнего 6 уплотнителей до контакта со стенкой труб эксплуатационной колонны 41. Одновременно кулачки 11 разрезной цанги 12 образуют жесткое соединение с эксплуатационной колонной 41 в стыке труб муфтового соединения 42.

Этими действиями устройство подготовлено к подаче герметизирующего состава в межтрубное пространство и далее в резьбовое муфтовое соединение 42.

В лифтовой колонне труб 4 поднимают давление, которое через отверстие 36 передается на разделительный поршень 31 в разъемном цилиндре 30 и далее на герметизирующий состав. При этом торцовый клапан 33 отходит от седла 32, сжимает возвратную пружину и открывает проход для подачи герметизирующего состава через перепускное отверстие 35, отверстие 26 в стволе 1, кольцевую камеру 24 и радиальный канал 25 в межтрубное пространство, ограниченное верхним 5 и нижним 6 уплотнителями. Под давлением герметизирующий состав вводится в негерметичное резьбовое муфтовое соединение. Поддерживают в течение некоторого времени (порядка 3-5 мин) давление в лифтовой колонне труб 4 и в цилиндре 30.

Сбрасывают давление в лифтовой колонне труб 4. Натяжением колонны штанг 29 перемещают разъемный цилиндр 30 контейнера вверх (см. фиг. 4) до входа толкателя 37 во взаимодействие с разрезной цангой 22 нижней втулки 21. Верхняя втулка 27 и нижняя втулка 21 толкателем 37 перемещается вверх до упора верхней втулки 27 в торцовую поверхность сужения 40. Тем самым открывается радиальный канал 20 и гидравлическая связь полости корпуса гидроцилиндра 14 с осевым каналом ствола 1, и закрывается отверстие 26 и гидравлическая связь межтрубного пространства через отверстие 26 с осевым каналом ствола 1 (см. фиг. 4).

При сбросе давления в лифтовой колонне труб 4 торцовый клапан 33 усилием пружины садится на седло 32 и прекращает подачу герметизирующего состава за пределы разъемного цилиндра 30 контейнера. Контейнер колонной штанг 29 выводится за пределы осевого канала ствола 1 (см. фиг. 5).

В этом положении осуществляют съем пакера с места установки относительно муфтового соединения 42 с перемещением его вверх к следующему объекту.

Эта операция осуществляется натяжением лифтовой колонны труб 4, связанной со стволом 1.

Ствол 1 перемещается относительно уплотнителей 5 и 6. Стопорное кольцо 13 действует на торец разжимного конуса 9 и выводит его из взаимодействия с кулачками 11 разрезной цанги 12. Дальнейшим натяжением кулачки 11 вводятся в окна 10 гидроцилиндра 8. Уплотнитель верхний 5 и уплотнитель нижний 6 при снятии осевого нагружения со стороны переводника 2 и корпуса 14 за счет упругой энергии принимают исходную форму. Корпус гидроцилиндра 7 и кольцевой поршень 8 перемещаются относительно друг друга до исходного положения. Одновременно гидроцилиндр 14 и поршень 15 занимают положение, как показано на фиг. 1.

Устройство перемещается вверх к новому объекту ведения работ и процесс повторяется.

Отличительной особенностью работы устройства на втором и последующих объектах является спуск в осевой канал ствола 1 разъемного цилиндра 30 с толкателем 37 до его контакта с разрезной цангой 22 нижней втулки 21 и перемещение последней до упора в кольцевой выступ 39 в стволе 1 с перекрытием гидравлической связи между кольцевой полостью 19 и осевым каналом ствола 1. В этом положении (см. фиг. 1) осуществляют процесс поиска стыка муфтового соединения в соответствии с вышеописанной работой предлагаемого устройства.

В процессе выполнения работы по герметизации резьбы муфтового соединения при перемещении разъемного цилиндра 30 внутри осевого канала ствола 1 возникает необходимость удалять часть жидкости из его полости. Для этого предусмотрен дроссель 18 в седле 16.

При полном использовании объема герметизирующего состава в разъемном цилиндре 30 последний на штангах 29 поднимается на поверхность.

Изобретение обеспечивает подачу герметизирующего состава в резьбу муфтового соединения под избыточным от пластового давлением, многократность повторения технологического процесса без подъема пакера на поверхность, а также контейнера с герметизирующим составом, объем которого конструктивно не органичен, причем в случае полного израсходования изолирующего состава - автономный подъем контейнера на поверхность для восполнения объема.

Использование: изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для восстановления герметичности резьбовых муфтовых соединений эксплуатационной колонны нефтяных и газовых труб. Сущность изобретения: устройство содержит пакер с узлом фиксации для перекрытия межтрубного пространства над и под резьбовым соединением, камеру с герметизирующим составом закрепленную с возможностью перемещения на штангах в лифтовой колонне труб, узел привода, узел управления, привод пакера, при этом для герметизации резьбового соединения осуществляется гидравлическая связь камеры с герметизирующим составом с полостью между уплотнителями. 5 ил.

Устройство для восстановления герметичности резьбового муфтового соединения эксплуатационной колонны в скважине, содержащее пакер с узлом фиксации, уплотнителями и узлом привода, камеру с герметизирующим составом, узел управления, осевые и радиальные каналы для посадки пакера и подачи герметизирующего состава, отличающееся тем, что узел фиксации расположен между верхним и нижним уплотнителями и состоит из разрезной цанги с кулачками, выходящими за пределы корпуса гидроцилиндра, кольцевого поршня с разжимным конусом внутри гидроцилиндра, полость которого гидравлически связана с полостью лифтовой колонны труб, узел привода расположен на нижнем конце ствола пакера и состоит из гидроцилиндра с поршнем, жестко связанным со стволом пакера, причем полость гидроцилиндра предварительно перекрыта нижней втулкой с разрезной цангой, а осевой канал поршня перекрыт седлом с шаровым клапаном и гидравлически связан дросселем с полостью скважины, камера с герметизирующим составом выполнена с возможностью перемещения на штангах в лифтовой колонне труб и осевом канале ствола пакера и состоит из разъемного цилиндра, разделительного поршня и седла с подпружиненным торцевым клапаном, причем полость разъемного цилиндра над разделительным поршнем гидравлически связана с полостью лифтовой колонны труб, а полость под торцевым клапаном с осевым каналом ствола пакера, узел управления расположен на нижнем конце разъемного цилиндра и состоит из удлинителя с толкателем, выполненным с возможностью взаимодействия с разрезной цангой нижней втулки при его возвратно-поступательном перемещении, причем осевой канал выполнен ступенчато с верхней втулкой под ним, установленной с возможностью взаимодействия с разъемным цилиндром и нижней втулкой при поочередном образовании гидравлической связи осевого канала ствола пакера с его приводом и полостью между уплотнителями.