УСТЬЕВОЙ СКВАЖИННЫЙ ЗАМОК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК E21B33/03 

Изобретение относится к нефтяной, газовой и горной промышленности и может быть использовано для быстрого вскрытия законсервированных или выработанных и используемых в качестве хранилищ шахт, нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин.

Выработанные шахты или скважины могут быть использованы для захоронения токсичных материалов. После их закладки скважины закрываются и обваловываются. Для пополнения или контроля состояния периодически необходимо быстрое дистанционное вскрытие, так как ручное небезопасно. Такие же требования предъявляются при необходимости быстрого извлечения хранимых материалов.

Известен устьевой скважинный замок, содержащий заслонку, закрепленную на верхнем фланце обсадной колонны (ствола скважины), крышку, расположенную под ней с образованием между ними полости, устройство для вскрытия скважины, состоящее из подпружиненного штока, жестко связанного с фиксирующим элементом (см. а. с. СССР N 1758205, МПК5 E 21 В 33/03, опубл. 30.08.92, бюл. N 32).

Недостатком этого замка является то, что для его вскрытия необходимо убрать насыпной грунт, снять заслонку, а потом специальным ключом повернуть устройство для вскрытия скважины и вскрыть скважину. Все эти операции проводятся в присутствии людей в течение времени не менее 3-х часов.

Известен устьевой скважинный замок, выбранный в качестве прототипа, содержащий заслонку и крышку, расположенную под ней, установленные на верхнем фланце ствола скважины, расположенные в полости между заслонкой и крышкой устройство для вскрытия ствола скважины в виде источника газов высокого давления (ИГВД) и гибкий элемент, одним концом соединенный с заслонкой, другим - с крышкой, закрытую с верхнего торца емкость с грунтом, закрепленную на заслонке (патент РФ N 2130111, МПК6 E 21 В 33/03, опубл. 10.05.99, бюл. N 13).

Этот замок имеет следующие недостатки:
- организованный разгон грунта над скважиной осуществляется на пути на порядок меньшем высоты слоя грунта над скважиной, поэтому для вскрытия необходимо создавать высокие давления (более 10 МПа), обеспечивающие разгон заслонки с грунтом над ней до значительной скорости, при которой исключалось бы обратное падение в скважину заслонки и грунта;
- отсутствие организованного увода грунта в сторону не исключает падение грунта и заслонки в скважину, что снижает надежность вскрытия.

Задачей предлагаемого решения является снижение уровня давления, реализуемого при вскрытии скважины, и обеспечение организованного увода заслонки с грунтом над ней в сторону от устья скважины.

Технический результат: снижение материалоемкости устьевого скважинного замка и ствола скважины и повышение надежности вскрытия.

Поставленная задача по первому варианту решается тем, что в устьевом скважинном замке, содержащем заслонку, установленную на верхнем фланце ствола скважины, устройство для вскрытия ствола скважины, в виде источника газов высокого давления (ИГВД), расположенное в стволе под заслонкой, закрытую с верхнего торца емкость с грунтом, закрепленную на заслонке, емкость выполнена в форме гибкого рукава, внутри которого герметично закреплена заслонка, установленная на стволе под острым углом к горизонту, расположенная под заслонкой нижняя часть емкости длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной, герметично закреплена нижней торцевой поверхностью на верхнем фланце ствола скважины, причем прочность крепления нижней части емкости к верхнему фланцу ствола скважины меньше прочности материала емкости.

Прочность крепления нижней части емкости к фланцу ствола может быть максимальна в месте минимального расстояния между заслонкой и фланцем ствола.

Вся емкость или ее нижняя часть может быть выполнена из прорезиненной ткани, армированной снаружи сеткой, например, капроновой.

Устьевой скважинный замок может дополнительно содержать охватывающую емкость с грунтом оболочку, выполненную в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности земли, соединенную меньшим торцом с расположенным под ней стволом скважины.

На внутреннюю поверхность оболочки может быть нанесено противоадгезионное покрытие.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что в устьевом скважинном замке, содержащем заслонку и крышку, расположенную под ней, установленные на верхнем фланце ствола скважины, устройство для вскрытия ствола скважины в виде источника газов высокого давления, расположенное в полости между заслонкой и крышкой, закрытую с верхнего торца емкость с грунтом, закрепленную на заслонке, емкость выполнена в форме гибкого рукава, внутри которого установлен ИГВД и герметично закреплена заслонка, установленная под острым углом к горизонту, расположенная под заслонкой нижняя часть емкости длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной торцевой поверхностью герметично прикреплена к обращенной к ней поверхности крышки.

Устьевой скважинный замок может дополнительно содержать нож, установленный под заслонкой на боковой поверхности емкости с возможностью ее разрезания под действием гибкой связи, соединяющей нож с крышкой, причем длина гибкой связи меньше длины нижней части емкости, но больше или равна высоте слоя грунта над скважиной.

Вся емкость или ее нижняя часть может быть выполнена из прорезиненной ткани, армированной снаружи сеткой, например, капроновой.

Устьевой скважинный замок может дополнительно содержать охватывающую емкость с грунтом оболочку, выполненную в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности земли, соединенную меньшим торцом с расположенным под ней стволом скважины.

На внутреннюю поверхность оболочки может быть нанесено противоадгезионное покрытие.

От прототипа заявляемые технические решения отличаются тем, что по первому варианту емкость выполнена в форме гибкого рукава, внутри которого герметично закреплена заслонка, установленная на стволе под острым углом к горизонту, расположенная под заслонкой нижняя часть емкости длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной, герметично закреплена нижней торцевой поверхностью на верхнем фланце ствола скважины, причем прочность крепления нижней части емкости к верхнему фланцу ствола скважины меньше прочности материала емкости.

Прочность крепления нижней части емкости к фланцу ствола может быть максимальна в месте минимального расстояния между заслонкой и фланцем ствола.

Вся емкость или ее нижняя часть может быть выполнена из прорезиненной ткани, армированной снаружи сеткой, например, капроновой.

Устьевой скважинный замок может дополнительно содержать охватывающую емкость с грунтом оболочку, выполненную в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности земли, соединенную меньшим торцом с расположенным под ней стволом скважины.

На внутреннюю поверхность оболочки может быть нанесено противоадгезионное покрытие.

По второму варианту от прототипа заявляемый устьевой скважинный замок отличается тем, что емкость выполнена в форме гибкого рукава, внутри которого установлен ИГВД и герметично закреплена заслонка, установленная под острым углом к горизонту, расположенная под заслонкой нижняя часть емкости длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной торцевой поверхностью герметично прикреплена к обращенной к ней поверхности крышки.

Устьевой скважинный замок может дополнительно содержать нож, установленный под заслонкой на боковой поверхности емкости с возможностью ее разрезания под действием гибкой связи, соединяющей нож с крышкой, причем длина гибкой связи меньше длины нижней части емкости, но больше или равна высоте слоя грунта над скважиной.

Вся емкость или ее нижняя часть может быть выполнена из прорезиненной ткани, армированной снаружи сеткой, например, капроновой.

Устьевой скважинный замок может дополнительно содержать охватывающую емкость с грунтом оболочку, выполненную в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности земли, соединенную меньшим торцом с расположенным под ней стволом скважины.

На внутреннюю поверхность оболочки может быть нанесено противоадгезионное покрытие.

Установка по первому варианту на верхнем фланце ствола скважины заслонки, расположение в стволе под заслонкой устройства для вскрытия ствола скважины в виде источника газов высокого давления, закрепление на заслонке закрытой с верхнего торца емкости с грунтом, выполнение емкости в форме гибкого рукава, внутри которого герметично закреплена заслонка, установленная на стволе под острым углом к горизонту, расположение под заслонкой нижней части емкости длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной, герметично закрепленной нижней торцевой поверхностью на верхнем фланце ствола скважины так, что прочность крепления нижней части емкости к верхнему фланцу ствола скважины меньше прочности материала емкости позволяет обеспечить организованный увод заслонки с грунтом над ней в сторону от устья скважины и более чем на порядок уменьшить давление вскрытия и, соответственно, уменьшить материалоемкость ствола скважины.

Выполнение крепления нижней части емкости к фланцу ствола таким, что прочность его максимальна в месте минимального расстояния между заслонкой и фланцем ствола, позволяет увеличить угол отклонения направления движения заслонки и грунта над скважиной от вертикали, что дополнительно способствует организованному уводу их в сторону от устья скважины и, соответственно, повышению надежности вскрытия.

Установка по второму варианту на верхнем фланце ствола скважины заслонки и расположенной под ней крышки, расположение в полости между заслонкой и крышкой устройства для вскрытия ствола скважины в виде источника газов высокого давления, закрепление на заслонке закрытой с верхнего торца емкости с грунтом, выполнение емкости в форме гибкого рукава, внутри которого установлен ИГВД и герметично закреплена заслонка, установленная под острым углом к горизонту, расположение под заслонкой нижней части емкости, длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной, торцевой поверхностью герметично прикрепленной к обращенной к ней поверхности крышки, позволяет обеспечить организованный увод заслонки с грунтом над ней и крышки в сторону от устья скважины и более чем на порядок уменьшить давление вскрытия и, соответственно, уменьшить материалоемкость ствола скважины и крышки.

Установка под заслонкой на боковой поверхности емкости ножа с возможностью ее разрезания под действием гибкой связи, соединяющей нож с крышкой, длина которой выполнена меньше длины нижней части емкости, но большей или равной высоте слоя грунта над скважиной, позволяет снизить прочность емкости и там самым упростить устьевой скважинный замок.

По обоим вариантам выполнение нижней части емкости из прорезиненной ткани, армированной снаружи сеткой, например, капроновой, позволяет надежно производить разгон грунта над скважиной до необходимой скорости на расстоянии, равном высоте слоя грунта над скважиной, и одновременно уплотнять грунт стенок каверны, что исключает осыпание его в скважину после ее вскрытия.

Введение дополнительной охватывающей емкость с грунтом оболочки, выполненной в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенной большим торцом к поверхности земли, соединенной меньшим торцом с расположенным под ней стволом скважины, позволяет снизить связь грунта над скважиной с окружающим и тем самым снизить давление, необходимое для вскрытия скважины.

Нанесение на внутреннюю поверхность оболочки противоадгезионного покрытия исключает слипание и смерзание грунта над скважиной с оболочкой и тем самым снижает давление, необходимое для вскрытия скважины.

Изобретение поясняется чертежами:
- на фиг. 1 представлен разрез первого варианта предлагаемого устьевого скважинного замка;
- на фиг. 2 представлен увеличенный элемент А разреза первого варианта предлагаемого устьевого скважинного замка в районе фланца ствола скважины;
- на фиг. 3 и фиг. 4 представлены разрезы первого варианта предлагаемого устьевого скважинного замка в процессе вскрытия скважины;
- на фиг. 5 представлен разрез второго варианта исполнения предлагаемого устьевого скважинного замка с крышкой;
- на фиг. 6 представлен увеличенный элемент А разреза второго варианта исполнения предлагаемого устьевого скважинного замка в районе фланца ствола скважины;
- на фиг. 7 и фиг. 8 представлены разрезы второго варианта исполнения предлагаемого устьевого скважинного замка в процессе вскрытия скважины.

В первом варианте исполнения на верхнем фланце ствола 1 скважины под острым углом к горизонту установлена в данном примере плоская заслонка 2. Заслонка 2 герметично закреплена внутри емкости 3, выполненной в форме гибкого рукава, и делит ее на две части: верхнюю и нижнюю. Верхняя, с закрытым торцем, заполнена грунтом 4, а нижняя, длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной, выполнена с открытым торцем и герметично по торцу закреплена на верхнем фланце ствола 1, слабина ее при этом размещена внутри скважины. Емкость 3 или ее нижняя часть выполнена из гибкого материала, например, прорезиненной ткани, армированной снаружи капроновой сеткой. Внутри ствола 1 скважины, например, на внутренней поверхности заслонки 2, установлен ИГВД 5, снабженный устройством запуска по проводной линии связи или радиоканалу (на фигурах не показано). Прочность крепления нижней части емкости 3 к верхнему фланцу ствола 1 ниже усилия разрушения материала емкости 3. Крепление нижней части емкости 3 к верхнему фланцу ствола 1 может быть выполнено таким, чтобы усилие его разрушения по контуру фланца было неравномерным, а в районе минимального расстояния между заслонкой 2 и верхним фланцем ствола 1 было максимальным.

Грунт над скважиной может быть отделен от окружающего оболочкой 6, выполненной в виде усеченного конуса (или усеченной пирамиды), обращенной большим торцом к поверхности земли, соединенной меньшим торцом со стволом 1 скважины. На внутреннюю поверхность оболочки 6 может быть нанесено противоадгезионное покрытие 7, выполненное, например, из 2-х слоев герметично по контуру соединенных между собой полиэтиленовых пленок.

Во втором варианте исполнения в устьевом скважинном замке (см. фиг. 5-8) на верхнем фланце ствола 1 установлена крышка 8, а над ней под острым углом к горизонту установлена плоская заслонка 2. Заслонка 2 герметично закреплена внутри емкости 3, выполненной в форме гибкого рукава, и делит ее на две части: верхнюю и нижнюю. Верхняя, с закрытым торцем, заполнена грунтом 4, а нижняя, длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной, выполнена с открытым торцем и герметично прикреплена к обращенной к ней поверхности крышки 8. ИГВД 5 и слабина нижней части емкости 3 при этом размещены в полости между заслонкой 2 и крышкой 8. В данном примере емкость 3 выполнена из гибкого материала, например, прорезиненной ткани, армированной снаружи капроновой сеткой. Кроме того, в районе крепления нижней части емкости 3 к заслонке 2 на боковой поверхности емкости под заслонкой установлен нож 9, с возможностью ее разрезания при натяжении гибкой связи 10, соединяющей нож 9 с крышкой 8. Длина гибкой связи 10 при этом меньше длины нижней части емкости, но больше или равна высоте слоя грунта над скважиной.

Во втором варианте грунт над скважиной также может быть отделен от окружающего дополнительной оболочкой 6, выполненной в виде усеченного конуса (или усеченной пирамиды), обращенной большим торцом к поверхности земли, соединенной меньшим торцом со стволом 1 скважины. На внутреннюю поверхность оболочки 6 может быть нанесено противоадгезионное покрытие 7, выполненное, например, из 2-х слоев герметично по контуру соединенных между собой полиэтиленовых пленок. Второй вариант используется в тех случаях, когда создание избыточного давления внутри скважины недопустимо (определяется свойствами хранимых материалов) или нецелесообразно из-за больших свободных объемов скважины.

Работает устьевой скважинный замок в следующем порядке.

В первом варианте устьевого скважинного замка по проводной линии связи или по радиоканалу через устройство запуска включается в работу ИГВД 5. При достижении определенного давления внутри ствола 1 скважины заслонка 2 с грунтом 4 над ней двигается вверх и увлекает за собой нижнюю часть емкости 3, которая на всей своей длине исключает утечку газов и обеспечивает необходимый разгон грунта на пути, равном высоте слоя грунта над скважиной при минимальных давлениях. После выбора слабины нижней части емкости 3 она отрывается от фланца ствола 1 скважины и движется с грунтом дальше. За счет установки плоской заслонки 2 над верхним фланцем ствола 1 скважины под острым углом к горизонту результирующая давления, действующего на грунт, отклонена от вертикали. Поэтому грунт разгоняется до скорости, которая имеет горизонтальную составляющую. Причем эта составляющая дополнительно увеличивается при отрыве нижней части емкости 3 за счет эксцентриситета силы отрыва. Увеличение горизонтальной составляющей скорости разгона грунта позволяет уменьшить результирующую скорость и, соответственно, уровень давлений газов ИГВД 5, а, следовательно, и материалоемкость ствола скважины (по условиям прочности). Кроме того, обеспечение организованного увода заслонки с грунтом над ней в сторону от устья скважины исключает падение их в скважину, тем самым повышает надежность замка.

Коническая оболочка 6 с противоадгезионным покрытием 7 исключает слипание и смерзание земли над скважиной с окружающим грунтом, что также позволяет снизить давление газов ИГВД (при отрицательных температурах более чем на два порядка).

Во втором варианте устьевого скважинного замка с крышкой 8 (см. фиг. 5-8) после срабатывания ИГВД 5 давление реализуется в полости, образованной нижней частью емкости 3 крышкой 8 и заслонкой 2. Под действием этого давления заслонка 2 с грунтом 4 над ней двигается вверх и увлекает за собой нижнюю часть емкости 3, которая на всей своей длине вместе с крышкой 8 исключает утечку газов и обеспечивает необходимый разгон грунта на пути, равном высоте слоя грунта над скважиной при минимальных давлениях. После выбора слабины гибкой связи 10 нож 9 делает продольный разрез в оболочке нижней части емкости 3, и газы стравливаются. Далее выбирается слабина нижней части емкости 3, и грунт 4, размещенный в верхней части емкости 3, за счет приобретенной им в процессе разгона кинетической энергии увлекает за собой крышку 8.

Коническая оболочка 6 с противоадгезионным покрытием 7 исключает слипание и смерзание земли над скважиной с окружающим грунтом, что также позволяет снизить давление газов ИГВД (при отрицательных температурах более чем на два порядка).

За время не более 10 с с момента запуска ИГВД 5 в обоих случаях скважина открывается, и можно приступать к работе с открытой скважиной.

Так как разгон заслонки с грунтом в предлагаемых устройствах производится на пути на порядок большем, чем в прототипе, то и давления необходимые для получения одинаковой скорости на порядок меньше, чем в прототипе. А придание скорости разгона горизонтальной составляющей позволяет обеспечить надежное вскрытие скважины при меньшей скорости, что также позволяет снизить требуемые давления.

Таким образом, предложенный устьевой скважинный замок (варианты) позволяет дистанционно вскрыть ствол скважины при давлении более чем на порядок меньшем, чем в прототипе, что значительно снижает материалоемкость замка. Обеспечение организованного увода заслонки с грунтом над ней и крышки в сторону от устья скважины повышает надежность замка.

Изобретение относится к нефтяной, газовой и горной промышленности и может быть использовано для быстрого вскрытия законсервированных или выработанных и используемых в качестве хранилищ шахт, нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин. В первом варианте устьевой скважинный замок содержит заслонку, установленную на верхнем фланце ствола скважины, устройство для вскрытия ствола скважины в виде источника газов высокого давления (ИГВД), расположенное в стволе под заслонкой, закрытую с верхнего торца емкость с грунтом, закрепленную на заслонке. Емкость выполнена в форме гибкого рукава, внутри которого герметично закреплена заслонка, установленная на стволе под острым углом к горизонту. Расположенная под заслонкой нижняя часть емкости длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной, герметично закреплена нижней торцевой поверхностью на верхнем фланце ствола скважины, причем прочность крепления нижней части емкости к верхнему фланцу ствола скважины меньше прочности материала емкости. Прочность крепления нижней части емкости к фланцу ствола может быть максимальна в месте минимального расстояния между заслонкой и фланцем ствола. Во втором варианте устьевой скважинный замок содержит заслонку и крышку, расположенную под ней, установленные на верхнем фланце ствола скважины, устройство для вскрытия ствола скважины в виде источника газов высокого давления, расположенное в полости между заслонкой и крышкой, закрытую с верхнего торца емкость с грунтом, закрепленную на заслонке. Емкость выполнена в форме гибкого рукава, внутри которого установлен ИГВД и герметично закреплена заслонка, установленная под острым углом к горизонту. Расположенная под заслонкой нижняя часть емкости длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной торцевой поверхностью герметично прикреплена к обращенной к ней поверхности крышки. На боковой поверхности емкости под заслонкой может быть установлен нож с возможностью ее разрезания под действием гибкой связи, соединяющей нож с крышкой, причем длина гибкой связи меньше длины нижней части емкости, но больше или равна высоте слоя грунта над скважиной. В обоих вариантах вся емкость или ее нижняя часть может быть выполнена из прорезиненной ткани, армированной снаружи сеткой, например, капроновой. В обоих вариантах устьевой скважинный замок может дополнительно содержать охватывающую емкость с грунтом оболочку, выполненную в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности земли, соединенную меньшим торцом с расположенным под ней стволом скважины. На внутреннюю поверхность оболочки может быть нанесено противоадгезионное покрытие. Изобретение обеспечивает снижение материалоемкости замка и ствола скважины и повышение надежности вскрытия. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устьевой скважинный замок, содержащий заслонку, установленную на верхнем фланце ствола скважины, устройство для вскрытия ствола скважины в виде источника газов высокого давления (ИГВД), расположенное в стволе под заслонкой, закрытую с верхнего торца емкость с грунтом, закрепленную на заслонке, отличающийся тем, что емкость выполнена в форме гибкого рукава, внутри которого герметично закреплена заслонка, установленная на стволе под острым углом к горизонту, расположенная под заслонкой нижняя часть емкости длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной, герметично закреплена нижней торцевой поверхностью на верхнем фланце ствола скважины, причем прочность крепления нижней части емкости к верхнему фланцу ствола скважины меньше прочности материала емкости. 2. Устьевой скважинный замок по п. 1, отличающийся тем, что прочность крепления нижней части емкости к верхнему фланцу ствола максимальна в месте минимального расстояния между заслонкой и фланцем ствола. 3. Устьевой скважинный замок по п. 1, отличающийся тем, что вся емкость или ее нижняя часть выполнена из прорезиненной ткани, армированной снаружи сеткой, например, капроновой. 4. Устьевой скважинный замок по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит охватывающую емкость с грунтом оболочку, выполненную в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности земли, соединенную меньшим торцом с расположенным под ней стволом скважины. 5. Устьевой скважинный замок по п. 4, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность оболочки нанесено противоадгезионное покрытие. 6. Устьевой скважинный замок, содержащий заслонку и крышку, расположенную под ней, установленные на верхнем фланце ствола скважины, устройство для вскрытия ствола скважины в виде источника газов высокого давления (ИГВД), расположенное в полости между заслонкой и крышкой, закрытую с верхнего торца емкость с грунтом, закрепленную на заслонке, отличающийся тем, что емкость выполнена в форме гибкого рукава, внутри которого установлен ИГВД и герметично закреплена заслонка, установленная под острым углом к горизонту, расположенная под заслонкой нижняя часть емкости длиной не менее высоты слоя грунта над скважиной торцевой поверхностью герметично прикреплена к обращенной к ней поверхности крышки. 7. Устьевой скважинный замок по п. 6, отличающийся тем, что дополнительно содержит нож, установленный под заслонкой на боковой поверхности емкости с возможностью ее разрезания под действием гибкой связи, соединяющей нож с крышкой, причем длина гибкой связи меньше длины нижней части емкости, но больше или равна высоте слоя грунта над скважиной. 8. Устьевой скважинный замок по п. 6, отличающийся тем, что нижняя часть емкости выполнена из прорезиненной ткани, армированной снаружи сеткой, например, капроновой. 9. Устьевой скважинный замок по п. 6, отличающийся тем, что дополнительно содержит охватывающую емкость с грунтом оболочку, выполненную в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, обращенную большим торцом к поверхности земли, соединенную меньшим торцом с расположенным под ней стволом скважины. 10. Устьевой скважинный замок по п. 9, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность оболочки нанесено противоадгезионное покрытие.